三维地震作用下某摩擦摆隔震单层球面网壳振动台试验研究_庄鹏.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023编者按 北京建筑大学源于 1907 年京师初等工业学堂,始终以服务首都和国家城乡建设发展为使命,为国家和北京城市规划建设管理领域培养了大批优秀人才,提供了智力和科技支撑。1958 年升格为本科院校并更名为北京建筑工程学院,2013 年更名为北京建筑大学。2012 年获批服务国家特殊需求博士人才培养项目,2016年获批建设“未来城市设计高精尖创新中心”,2018 年获批博士学位授予单位,构建了从本科、硕士、博士,从全日制本科教育、研究生教育到继续教育、留学生教育全方位、多层次的办学格局和人才培养体系,形成了以建筑、土木、环能、测绘为代表的若干在全国具有比较优势的特色学科领域、科研方向和创新团队。北京建筑大学建设了大型多功能振动台阵实验室,分两期共将建成 4 台振动台,首台振动台已完成建设。全部建成后,将成为世界现有台阵中总承载力最大、台面总面积最大的试验设备,将为各类基础设施的抗震性能检验提供试验平台。试验室总面积 5 300m2,预算总额 2.8 亿元,包括振动台区域及静力试验区域,振动台台面尺寸 5m5m,单台载重 60t,频率范围 0.1100Hz,水平最大加速度 1.5g(重力加速度)和垂直最大加速度1.2g。该振动台台阵系统可完成多、高层建筑的单台振动试验,各种长大型桥梁和长型地下结构的多台联动振动试验,大跨结构的四台联动振动试验,以及核电站结构和设备等重要工程和设施的振动台试验。在庆祝北京建筑大学办学 115 周年之际,特以专栏的形式介绍北京建筑大学土木与建筑工程学院依托大型多功能振动台阵实验室在结构减隔震、抗震韧性、装配式结构等领域取得的新进展,与广大读者进行交流。DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ210094北京市自然科学基金资助项目(8182016),北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室开放研究专项基金(2022MFSTL12)。第一作者:第一作者:庄鹏,博士,副教授,主要从事大跨空间结构抗震与减隔震研究,Email:harryzhpeng 。三维地震作用下某摩擦摆隔震单层球面网壳振动台试验研究庄 鹏1,2,3,李一博1,韩 淼1,2,3(1 北京建筑大学土木与交通工程学院,北京 100044;2 北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室,北京 100044;3 北京建筑大学工程结构与新材料北京高等学校工程研究中心,北京 100044)摘要:为研究三维地震作用下某摩擦摆(friction pendulum bearing,FPB)隔震网壳结构的抗震性能,以某跨度为30m 的单层球面网壳结构作为原型结构,设计加工了 1/10 缩尺模型及其 FPB 系统。采用了 5 条具有不同特征的三向地震动记录作为动力输入,开展了隔震与非隔震网壳结构模型的振动台试验研究,对使用 FPB 前后网壳结构模型的自振特性和地震响应进行了对比分析。试验研究结果表明:隔震结构模型的基本自振频率较非隔震结构模型降低了 80%;在施加地震波时,可清晰地观察到在 FPB 启动后,安装于隔震层之上的网壳屋盖呈现整体刚体往复平动;与非隔震结构相比,隔震网壳结构模型的水平双向地震响应有大幅度降低;使用 FPB 对竖向地震响应也具有一定的控制效果;经过润滑的 FPB 可提供优良的复位能力。关键词:振动台试验;单层球面网壳;隔震;摩擦摆支座;三维地震作用中图分类号:TU393.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0001-09引用本文 庄鹏,李一博,韩淼.三维地震作用下某摩擦摆隔震单层球面网壳振动台试验研究J.建筑结构,2023,53(3):1-9,51.ZHUANG Peng,LI Yibo,HAN Miao.Shaking table tests of a single-layer spherical lattice shell with friction pendulum bearings under three-dimensional ground motionsJ.Building Structure,2023,53(3):1-9,51.Shaking table tests of a single-layer spherical lattice shell with friction pendulum bearings under three-dimensional ground motions ZHUANG Peng1,2,3,LI Yibo1,HAN Miao1,2,3(1 School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2 Multi-Functional Shaking Tables Laboratory,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;3 Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)建 筑 结 构2023 年Abstract:To study the seismic behavior of lattice shell structures with friction pendulum bearings(FPBs)under three-dimensional ground motions,a 1/10 scaled single-layer spherical lattice shell structure model and its FPB system were designed and fabricated based on a prototype single-layer lattice shell with a span of 30m.Shaking table tests of the isolated and non-isolated structural models were carried out considering five tri-axial ground motion records.The natural vibration characteristics and seismic responses of the structural model with and without the FPB system were compared and analyzed.The experimental results reveal that the fundamental natural frequency of the isolated structural model is reduced by 80%compared with the non-isolated structural model.When applying the seismic excitations,it is observed that the lattice shell roof mounted on the isolation layer exhibits a rigid-body mutual movement after the FPBs were activated.The horizontal seismic responses of the isolated structural model are significantly less than those of the non-isolated structural model,and the vertical seismic response can be controlled using the FPBs.The lubricated FPB system can provide a satisfactory re-centering capacity.Keywords:shaking table test;single-layer spherical lattice shell;seismic isolation;friction pendulum bearing;three-dimensional ground motion 0引言 近三十年来,以叠层橡胶支座和滑动摩擦支座为代表的现代工程结构隔震技术获得了长足的发展1-3。摩擦摆支座(friction pendulum bearing,FPB)是一种典型的滑动摩擦隔震装置4,其在竖向具有良好的承载能力,在水平方向由于独特的球面构造而拥有周期延长与复位性能,此外,FPB 还具有优良的耗能能力和耐久性。随着 FPB 隔震研究的深入开展,这一隔震系统的用途正在由传统结构5-6向更为复杂的工程结构7拓展。大跨空间结构具有造型新颖、功能多样以及内部空间使用灵活的优点,常用于地标性公共建筑以及大型工业建筑。由于大跨空间结构自重较轻,且结构体系的冗余度较高,因而被普遍认为是一种具有优良抗震性能的结构类型。然而,已有的理论研究及实际震害8-9表明,大跨空间结构在强震作用下仍发生了危及其内部人员安全以及功能恢复的地震破坏现象。围绕 2013 年四川芦山地震中发生震损的空间网格结构,LI 等10进行了结构抗震性能提升可行性分析,并根据研究结果将隔震技术列为改善大跨空间结构抗震韧性的重要手段之一。同时,丁洁民等11综述了大型复杂建筑抗震技术的应用现状,大跨空间结构隔震技术被认为在今后极具应用前景。在常用的隔震装置中,FPB 体积紧凑,在安装空间较为受限的大跨空间结构中使用较为便利。为此,研究人员以网壳结构这一典型的大跨空间结构作为受控对象,通过数值模拟考察了 FPB 在其中的隔震性能。例如,YONG-CHUL 等12建立了 FPB 隔震球面网壳计算模型,探讨了 FPB 设计参数(球面半径、摩擦系数)对结构地震响应的影响;孔德文等13提出了 FPB 隔震单层球面网壳结构的精细化有限元建模方法,并通过有限元模拟评价了受控结构的抗震性能;李雄彦等14通过振动台阵试验,研究了水平向行波效应下 FPB隔震柱面网壳缩尺模型地震响应特征。可见,以往的研究大多以理论分析及数值模拟论证 FPB 在网壳结构中的减隔震性能,尚缺乏振动台试验验证;已开展的少量 FPB 隔震网壳模型振动台试验,对结构模型仅施加了水平向地震动输入,未考虑对空间结构更为不利的三维地震输入工况。为考察水平、竖向三维地震动作用下 FPB 对大跨空间结构的控制效果,设计并加工了 1/10 缩尺单层球面网壳结构模型及其小尺寸 FPB 系统,利用大型多功能振动台设备施加三向地震动,测量了受控结构模型及 FPB 系统的地震响应,分析了 FPB 在网壳结构模型中的隔震性能。1试验概况1.1 网壳模型设计 用于振动台试验的结构原型为某周边支承 K6型凯威特单层球面网壳结构,网壳跨度和矢跨比分别为 30m 和 1/5,屋面荷载为 1.0kN/m2,下部支承柱高度为 9m。网壳杆件与下部结构构件均采用Q345 钢材。该网壳结构位于抗震设防 8 度区,设计基本地震加速度为 0.2g,场地类别为类,设计地震分组为第一组。考虑隔震时,在下部结构柱顶与网壳屋盖结构之间共设置