刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究_杜红凯.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220009国家自然 科 学 基 金 资 助 项 目(51378047),国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(51408027),国 家 重 点 研 发 计 划 项 目(2019YFC1509500)。第一作者:第一作者:杜红凯,博士,高级实验师,主要从事工程结构抗震与隔震研究,Email:duhongkai 。通信作者:通信作者:韩淼,博士,教授,主要从事工程结构隔震与减震研究,Email:hanmiao 。刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究杜红凯,韩 淼,籍嘉浩,于佳鑫,王海萌(北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室,北京 100044)摘要:为防止隔震层在极罕遇地震作用下出现过大变形而导致隔震设施损坏,部分隔震结构安装了钢墩或钢筋混凝土墩等刚性限位装置。为了研究刚性限位对基础隔震结构动力响应的影响,设计三层单跨钢框架基础隔震结构以及钢墩、钢筋混凝土墩、带橡胶垫层钢墩三种刚性限位器,并进行振动台试验。研究不同预留间隙时三种限位器对基础隔震结构的位移、加速度、接触力以及隔震支座竖向荷载等动力响应影响的规律。试验结果表明,刚性限位器能有效减小其隔震层位移,但也会对上部楼层产生较高大的不利响应,同时会增大隔震支座的竖向荷载,甚至使支座产生拉应力。在钢墩前设置橡胶垫层能明显减小上部结构的加速度响应,对上部结构位移响应、隔震支座竖向力及碰撞点处接触力影响不大。关键词:基础隔震;刚性限位器;动力响应;振动台试验 中图分类号:TU352.1 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0015-06引用本文 杜红凯,韩淼,籍嘉浩,等.刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究 J.建筑结构,2023,53(3):15-20.DU Hongkai,HAN Miao,JI Jiahao,et al.Experimental study on influence of rigid deformation limitation on dynamic response of base isolation structuresJ.Building Structure,2023,53(3):15-20.Experimental study on influence of rigid deformation limitation on dynamic response of base isolation structures DU Hongkai,HAN Miao,JI Jiahao,YU Jiaxin,WANG Haimeng(Multi-Functional Shaking Tables Laboratory,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)Abstract:Steel trusses or reinforced concrete blocks are usually installed in isolated structures as rigid deformation limiters to avoid damage to the isolation system caused by excessive isolation deformation under very rare earthquakes.To investigate the influence of rigid deformation limitation on dynamic response of the base isolation structure,a three-story single-span steel frame and three types of rigid deformation limiters including steel trusses,steel concrete blocks,steel trusses with rubber were designed,and shaking table testing was carried out.The influence laws of the three deformation limiters with different reserved gaps on structural dynamic responses,including displacement,acceleration,contact force and vertical force of isolation bearings were researched.The test results show that the rigid deformation limitation can effectively reduce the displacement of the isolation layer,but it also produces a high adverse response to the superstructures,and magnifies the vertical force of the isolation bearing,and even produces tensile stress on the bearing.The rubber cushion in front of the steel truss can obviously weaken the acceleration responses of the superstructure,and has little effect on the displacement responses of the superstructure,the vertical forces of the isolation bearings and the contact force at the contact points.Keywords:base isolation;rigid deformation limitation;dynamic response;shake table testing 0前言 隔震层可以延长结构的基本周期,从而降低上部结构的动力响应1-2,但是当结构遭遇极罕遇或近断层地震时,隔震层可能出现过大变形,导致上部结构与相邻结构或周围挡土墙碰撞,致使结构损坏或失效。在隔震结构与相邻结构碰撞的研究方面,赵建伟等3计算表明,碰撞不但会导致隔震结构的加速度响应增大,而且会导致非隔震结构加速度响应增大。黄潇等4研究表明碰撞带来的加速度对本层和邻近构件影响较大,对其他层影响较小,隔震建筑与两边结构相碰撞的破坏程度要远大于与一边结构相碰撞的破坏程度。Matsagar 等 5研建 筑 结 构2023 年究认为该加速度增大效应会随着间隙的增大先增大后减小。隔震结构碰撞的研究较多,但明确的结论主要集中在加速度方面,在上部结构变形方面结论较少。桥梁结构经常在横桥向设置刚性限位装置,刘笑显等6研究了 X 形弹塑性钢挡块对桥墩横向地震响应的影响,研究表明弹塑性钢挡块可有效减小墩梁间相对位移。孟栋梁等7通过振动台试验研究发现钢挡块与垫石之间的碰撞限制了墩梁间横向相对位移的发展,但碰撞会激起结构的高频响应,增大墩底弯矩响应。隔震建筑结构与挡土墙或刚性限位装置的碰撞发生在结构底部,上部结构为悬臂状态,其受力特性与两建筑结构之间的碰撞、与桥梁的限位碰撞有显著不同。在 1994 年的美国 Northridge 地震8中,一座隔震结构的基底板与限位挡土墙发生了碰撞,上部结构的加速度和层间剪力被放大。樊剑等9研究表明碰撞会导致结构同时存在周期运动、拟周期运动、混沌运动与分叉现象。Masroor 等10通过振动台试验研究发现碰撞接触力与预留间隙、冲击速度和挡墙刚度有关。叶昆等11认为碰撞不但会显著增大上部结构的绝对加速度和层间位移,还会激发结构的高阶振型。金建敏等12研究表明上部结构加速度、位移及层剪力的放大程度随碰撞刚度及地震动强度的增大而增大,随隔震沟宽度的增大而减小。黄潇等13通过数值分析研究发现,碰撞导致的加速度增大仅在隔震层,但导致上部结构的延性需求增大,会使上部结构出现严重破坏甚至倒塌。韩淼等14给出了接触刚度、接触阻尼与隔震层动力响应的关系曲线,表明数值模拟时接触参数对结构动力响应的影响显著。在隔震结构刚性限位的相关研究中,理论计算较多,试验研究较少,由于结构与刚性限位装置之间的碰撞具有较高的非线性,且接触刚度和接触阻尼很难通过试验获取,导致数值模拟计算很难达到理想的效果。为研究刚性限位对隔震结构的响应,本文进行了隔震结构与钢墩、混凝土墩和带橡胶垫层钢墩三种限位器碰撞的振动台试验,给出刚性限位器对隔震结构动力响应影响的规律。1试验概述1.1 试验模型 以 8 度(0.2g)设防区三层单跨钢框架结构为原型,按照 1 6 相似比进行缩尺,试验模型如图 1所示,其中 L 为框架梁,Z 为框架柱,模型参数见表1。隔震层采用 GZP100 小型叠层橡胶支座,隔震支座参数见表 2,隔震支座实测水平刚度见表 3。对试验模型的基本特性进行实测,得到试验模型在非隔震情况下前三阶周期分别为 0.183、0.057、0.035s,在隔 震 情 况 下 前 三 阶 周 期 分 别 为 0.712、0.106、0.050s。图 1 试验模型的立面图表 1 试验模型参数长/m宽/m高/m柱截面梁选型每层质量/t1.30.950.6240240202010 号槽钢1.37表 2 隔震支座参数支座总高H/mm钢板外径d0/mm中孔直径d1/mm内部橡胶trn/mm内部钢板tsn/mm上下封板tfn/mm89.4100101.5181.217102 注:tr为单层橡胶厚度;ts为单层钢板厚度;tf为封板厚度;n 为层数。表 3 隔震支座不同剪应变时的水平刚度剪应变/%25100200剪切刚度/(N/mm)1701321091.2 限位器 本次试验采用的刚性限位器中包括钢墩(ST,刚度为 5.50107N/mm)、带橡胶垫钢墩(SR,橡胶刚度为 2 041N/mm,橡胶层厚度 30mm)及钢筋混凝土墩(RC,刚度为 6.54106N/mm)。各限位器原型及摆放位置如图 2 所示(结构东西两侧均设置,结构向东侧产生的位移为正,向西侧产生的位移为负)。1.3 地震动记录 采用 El Centro 波作为地震动输入,根据相似比对地震波时间进行压缩,将输入地震动分别调整到8 度(0.2g)及 9 度罕遇地震(即地震动峰值加速度为 0.4g 和 0.62g)进行试验,地震动参数见表 4。表 4 地震动参数名称年份持续时间/s振幅/gal间隔/s方向El Centro194030341.70.02N-S61第 53 卷 第 3 期杜红凯,等.刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究图 2 限位器照片1.4 试验工况 试验共分为两大类工况:未限位的基础隔震模型工况(WOL)和带刚性限位的基础隔震模型工况(WL)。基于两种幅值的地震动输入、三种限位器和两种大小的预留间隙(限位器与结构碰撞点处之间的距离),共进行 10 个工况的试验,工况见表 5。根据建筑抗震设计规范(GB 500112010),预留间隙不宜小于罕遇地震作用下最大水平位移的 1.2倍,试验模型在 8 度大震下的隔震层水平位移为23.8mm,其 1.2 倍为 28.6mm。为研究结构响应的相关规律性,本文预留间隙中的 20mm 小于该要求,30mm 大于该要求。表 5 试验工况工况编号PGA/g限位器