Shaking table test of eccentric base-isolated structure on soft soil foundation under long-period ground motion

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈，且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大，而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应，极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响，对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后，周期延长比低于刚性地基结构体系，使减震效果下降；SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应，但在隔震层会出现较大扭转角；与普通地震动相比，远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大，隔震层位移可能超限，总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全，应考虑SSI效应后进行结构设计，且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

土-结构相互作用效应对长周期地震动下层间隔震结构减震性能的影响

考虑土-结构相互作用(SSI效应)的层间隔震结构减震机理及振动特性有别于底部刚接于地基的层间隔震结构。长周期震动具有的丰富低频成分、大的速度与加速度脉冲、明显谐波成份等特性,对考虑土-结构相互作用的层间隔震结构具有更为不利的影响。为此,基于集总参数S-R(Sway-Rocking)模型建立一幢大底盘层间隔震框架结构,考虑不同场地类别下的影响,分析多类型长周期地震动作用下土-结构相互作用隔震体系的动力响应规律。结果表明:SSI效应使层间隔震体系的刚度弱化,结构周期延长,致使长周期地震动下Ⅲ、Ⅳ类场地上的层间隔震结构弹塑性层间位移角增大,且随着土质的变软,层间位移角增大越明显,而SSI效应对峰值层间剪力影响不大。此外,远场长周期类谐和地震动作用下的楼层峰值加速度与隔震支座变形值也均有所放大,长周期地震动下考虑SSI效应隔震结构体系的减震效果变差。     

超高层错层隔震体系地震响应研究

超高层错层隔震体系是层间隔震体系基础上发展而来的一种隔震结构。建立了某超高层错层隔震结构有限元模型,分别输入普通地震动、远场类谐和长周期地震动和近断层脉冲型长周期地震动3种不同类型的地震动,分析错层隔震结构在3种地震动作用下的响应,并与层间隔震结构响应进行分区比较。结果表明：错层隔震结构和层间隔震结构在3类地震动作用下层间位移较小,基底剪力较小,塑性铰少,两种结构均具有良好的减震效果;在普通地震动作用下,错层隔震结构相比于层间隔震结构层间位移减小、基底剪力减小,其减震性能较层间隔震结构更优;错层隔震结构在不同长周期地震动作用下减震效果具有一定差异性,在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果稍优于层间隔震结构的,在远场类谐和长周期地震动作用下的减震效果稍劣于层间隔震结构的。在受远场类谐和长周期地震动影响的区域,错层隔震结构在设计时需对中部隔震层附近的核心筒予以充分关注。     

软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究

通过对高层隔震结构模型在刚性地基和软土地基条件下进行对比振动台试验,研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界影响,采用粉质黏土作为模型土,考虑基底压力的相似,采用高宽比为4的5层钢框架作为上部隔震结构模型,设计了软土地基上高层隔震结构、非隔震结构以及刚性地基上隔震、非隔震结构的振动台试验模型。试验结果表明：土-结构相互作用（SSI）效应对隔震结构的影响程度较非隔震结构轻;SSI效应显著降低了隔震结构模型的自振频率、增加了体系的阻尼;软土地基上隔震结构能够有效减轻结构的地震反应,但是相对于非隔震结构的加速度反应比值增大,隔震效果降低;SSI效应可能增加也可能减小隔震结构的地震反应,不仅与地震动类型有关还与输入地震动强度相关;软土地基上高层隔震结构基础输入地震动与自由场地震动在反应谱水平上基本一致,采用自由场地震动确定基础输入地震动是可行的,且偏于安全,而非隔震结构基础输入地震动则与地基更深层的地震动接近。     

土-结构相互作用对隔震结构减震效果影响研究

为研究土-结构相互作用(SSI:Soil Structure Interaction)对隔震结构减震效果的影响,在考虑SSI地震动力反应的前提下,采用子结构方法,建立了隔震结构计算模型,并利用Matlab语言编制了求解软件。通过输入Elcentro波,得到结构在考虑SSI作用时的地震动力反应。对比是否考虑SSI的地震动力反应,分析结果表明:①对于不隔震的结构,考虑SSI作用时,地基土的作用类似于设置隔震层,基本上能使结构地震动力反应减小;②在软土地基上设置隔震层,可能对结构地震动力反应出现放大效应,而在坚硬土地基上设置隔震层,则类似于不考虑SSI作用情况;③基础宽度、基础埋深及基础重心高度等参数增加时,基本上都能使结构的鞭梢作用增强,使上半部分楼层加速度有放大的现象。     

SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

近断层地震速度脉冲对层间隔震结构响应影响的振动台试验研究

近断层地震动向前方向性效应和滑冲效应引起的两种速度脉冲运动,对隔震结构动力响应的影响不同。选取含有向前方向性效应速度脉冲、滑冲效应速度脉冲、无速度脉冲的近断层地震波作为地震动输入,对一个5层钢框架层间隔震结构模型进行模拟地震振动台试验。结果表明,层间隔震结构在含脉冲近断层地震作用下的动力响应,明显大于无脉冲近断层地震;向前方向性效应与滑冲效应对结构地震响应的影响与结构周期相关,对于中短周期结构,向前方向性效应相对滑冲效应引起的结构响应更大,对于长周期结构,则相反;层间隔震技术能有效地减小结构地震响应,隔震层上部结构的减震率大于下部结构,减震效果随着隔震层位置的升高而降低。     

土与结构相互作用对层间隔震结构影响的参数分析

层间隔震结构是在基础隔震结构的基础上发展起来的一种新型隔震结构体系。实际工程中,因受到地形条件和建筑功能使用需求的限制,仅能在中间某层设置隔震装置,从而形成层间隔震体系。层间隔震体系在减震机理、振动特性及设计方法等方面均有别于基础隔震结构。通过有限元分析,研究了土-结构相互作用(SSI)对层间隔震结构地震响应的影响,探讨场地土弹簧刚度,隔震层水平刚度等参数变化时,考虑SSI作用下层间隔震结构地震响应的变化规律。研究表明:SSI效应使得层间隔震结构刚度弱化,引起其周期延长,土越软地震效应越大;SSI效应对层间隔震结构的地震响应,如体系的基底剪力、顶层位移、层间位移、层间剪力等,均造成不同程度的影响,土越软效果越明显;隔震层水平刚度对体系地震响应也存在一定影响。     

高层隔震结构在长周期地震动作用下的响应分析

将地震波进行经验模态分解(EMD)求得固有模态函数(IMF)并做希尔伯特-黄变换,求得地震动记录的累积能量谱以及边际谱。通过边际谱的平均特征周期或β谱2~10 s的加权平均值的定量方式区分出普通地震动和长周期地震动。为了考察高层隔震结构在长周期地震作用下的响应,建立一有实际工程背景的基础隔震的高层建筑模型;输入经过长周期地震波和反应谱与规范反应谱相符的地震波进行时程分析,比较两者作用下结构响应的异同。分析结果表明:定量的方式可以区分长周期地震动和普通地震动,将经过区分的长周期地震波作为输入,算例在长周期多遇地震及罕遇地震作用下,底部固定高层结构和高层隔震结构的楼层剪力平均值、层间位移角以及高层隔震结构的隔震层位移均较与反应谱相符的地震作用下大,隔震层位移的增大尤其明显。从隔震系数和层间位移角而言,长周期地震作用下的隔震效果较差。符合规范反应谱的时程分析表明该高层隔震结构本身隔震性能良好,上部结构性能接近大震弹性。因此高层隔震结构在等值PGA的输入下,长周期地震作用下,高层隔震结构在小震和大震下都很难满足设计要求,对于存在长周期地震动风险的情况下,需要开发适合于高层隔震结构的隔震体系。同时,拟输入地震动为长周期地震动时,等值PGA不是一个合理的指标。     

Soil–structure interaction effects on base-isolated buildings founded on soil stratum

The present study investigates the effects of soil–structure interaction (SSI) on the response of base-isolated multistory buildings founded on an elastic soil layer overlying rigid bedrock and subjected to a harmonic ground motion. Initially a four-degree-of-freedom system (4-DOF) is developed and the equations of motion are formulated in the frequency domain. Frequency independent expressions are used to determine the stiffness and damping coefficients for the rigid surface foundation on the soil-stratum underlined by bedrock at shallow depth. Assuming the foundation mass to be negligible, an equivalent two-degree-of-freedom (2-DOF) system is derived. The first mode of motion of the equivalent 2-DOF system appears to be sufficient to describe the response of the overall system for all ranges of stiffness and inertia properties of the structure and its isolation. An extensive parametric study demonstrates that SSI effects are significant, primarily for squat, light structures, founded on soil-stratum of low stiffness. The methodology could serve as a means to perform a preliminary seismic design of base-isolated building structures founded on homogenous soil-stratum over bedrock.     

土–桩–隔震结构动力相互作用体系振动反应特性试验研究

软夹层地基条件必将会对隔震结构的隔震效率及其动力反应特性产生一定的影响。鉴于此,基于软夹层地基上基础隔震结构地震反应的振动台模型试验结果,对比分析了不同频谱特性和不同强度地震动作用下软夹层地基、基础隔震层和隔震结构的振动加速度反应特征,初步给出了软夹层地基上土–桩–隔震结构动力相互作用体系的振动反应特性及其规律。结果表明,试验设置的模型地基基本上能够反映软夹层地基的地震反应特性。同时,输入地震动频谱特性及其强度对软夹层地基上基础隔震层的隔震效率及其隔震结构的动力反应规律都具有明显的影响,造成上述影响的主要原因应为软夹层地基明显改变了输入地震动的频谱特性和强度,起到了天然隔震的作用,其具体影响规律和影响程度还需做进一步的深入研究。     

盆地场地远场长周期地震动输入的确定

盆地场地的长周期结构在远场长周期地震动作用下震害明显,目前国内设计规范尚未将低幅值的远场长周期地震动记录纳入统计范围。研究盆地场地远场长周期地震动输入方法,可用于国内盆地建筑的抗震补充验算。文中针对日本沉积盆地台站地震动记录数据进行统计,拟合出盆地效应与沉积层厚度的关系曲线。结合国内板壳内地震下的基岩地震动衰减关系、盆地效应与沉积层厚度关系曲线以及局部工程场地放大作用,给出适用于国内的盆地场地远场长周期地震动输入方法。基于渭河盆地内的西安市区以及周边地震环境,进行了远场长周期地震动输入方法的案例分析。分析结果表明：盆地效应对加速度反应谱的放大作用和对地震波到达时刻的影响,均随盆地沉积层厚度的增加而变得更显著。文中方法综合考虑了震源分布、震级、震中距、盆地效应和局部工程场地的影响,可用于估计国内盆地场地远场长周期地震动加速度反应谱及其地震动时程,其模拟的加速度反应谱与地震动时程符合实际远场长周期地震动记录的特征。     

远场长周期地震动作用下超高层建筑响应特性

已有震害研究表明超高层建筑在远场长周期地震动作用下易出现长时间晃动的共振现象,国内超高层建筑在不同概率水平的远场长周期地震动作用下的响应特性有待验证。为此,参考实际工程建立超高层结构模型,利用已有方法确定不同概率水平的校验远场长周期地震动,对比分析超高层建筑在远场长周期地震动和规范设计地震动作用下的结构响应特性、非结构响应特性,以及居住者感受程度。分析结果表明：在结构响应方面,相较于同概率水平的规范设计地震动,远场长周期地震动作用下结构的层间位移角增大约15%,楼层累积滞回耗能提高约100%;在非结构响应方面,相较于同概率水平的规范设计地震动,远场长周期地震动作用下的中部楼层的位移敏感构件损坏、顶部楼层的长周期附属设备加速度响应、家具滑动和居住者不安度相对显著。超高层建筑主要应通过提高结构耗能能力和控制非结构响应来应对远场长周期地震动。     

考虑SSI效应及支座转动的隔震体系性能研究

土-结构相互作用对结构的地震反应有着重要的影响。隔震支座竖向变形引起的隔震层转动会加剧上部结构的摇摆,进而放大结构的地震响应。提出基于Timoshenko理论的考虑SSI效应及隔震层转动影响的隔震结构通用计算模型,推导并求解结构运动方程,采用虚拟激励法进行随机响应分析,进一步研究隔震层转动刚度、土体参数等对隔震结构地震响应的影响规律。分析表明：SSI效应降低了隔震效果,其对隔震结构楼层转角位移放大的影响与土-结构刚度比有关。隔震层转动刚度变化对隔震结构顶层加速度、基底倾覆力矩等影响较小,但对结构楼层转角位移有较大影响,隔震层转动刚度取值较小时,上部结构楼层转角甚至会出现大于抗震结构的情况。