隔震框架结构长周期地震动响应与损伤机理.pdf
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1、 年 月第 期(总)铁 道 工 程 学 报 ()*收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()*作者简介:杨佑发,年出生,男,教授。文章编号:()隔震框架结构长周期地震动响应与损伤机理*杨佑发*向双龙金鸿慎(重庆大学,重庆)摘要:研究目的:采用隔震技术可有效改善山地掉层框架结构的抗震性能,但山地地区常紧邻地震断裂带与大型沉积盆地,这为近断层脉冲型长周期地震动(近场型)和远场长周期地震动(远场型)的孕育提供了条件。在实际工程设计中,常常忽略长周期地震动对隔震结构的危害性,且对于长周期地震动作用下隔震结构减震性能的研究尚未完善。研究结论:()基于 变换()方法实现了对两类长周期地震动的特殊长周期成
2、分的提取;()针对铅芯隔震掉层框架结构,将提取特殊长周期成分后的地震动的结构响应与原始地震动的响应进行对比,依据各类结构响应的改变量进一步揭示不同长周期成分对隔震框架结构的控制效应;()隔震框架结构在近场地震动作用下主要产生隔震垫位移过大的首次超越破坏,而在远场长周期地震动作用下除了产生较大的隔震垫位移,还需对隔震垫的能量滞回效应引起重视;()本研究成果可为山地建筑结构的设计提供参考。关键词:长周期地震动;掉层隔震框架结构;动力响应;损伤机理中图分类号:文献标识码:,(,):,()(),:()(),(),(),():;研究背景山地掉层结构的突出特点在于上下接地层的不等高,上接地柱会承受较大的地
3、震剪力,在实际设计时,为了避免上接地柱的破坏通常会增强上接地柱的刚度,但同时也会引起地震剪力的增大,为了缓解这一矛盾,杨佑发等提出了将基础隔震技术应用于山地掉层结构并进一步研究了抗连续倒塌性能。向双龙开展了掉层隔震结构长周期地震动易损性分析,分别构建了隔震垫和上部结构的易损性曲线。杨伯韬进行了一榀掉层结构的拟静力试验,并基于弹塑性时程分析研究了掉层结构的变形特征、破坏模式;李英民等进一步进行了掉层结构和典型结构的振动台对比试验,发现掉层结构具有明显的扭转效应,且柱铰最先在上接地柱出现;张龙飞等进行了掉层框架橡胶支座隔震结构的振动台试验,认为山地掉层隔震结构的扭转效应明显减小,地震响应得到有效控
4、制。隔震建筑在长周期地震动作用下可能发生的震害及其次生灾害近来备受关注,长周期的地震作用引发的结构的破坏事件也屡见不鲜,比如 年的 地震以及 年的 地震。等通过足尺的振动台试验研究了隔震医院的医疗设备的安全性和功能性,采用的地震动是近断层的地面运动与合成的长周期、长持时地面运动,对于近断层的地震动,隔震体系的效果比较好,但是对于长周期地震作用,隔震医院的功能性很难保证。目前对近断层脉冲型地震动的研究已经相当成熟,然而对远场长周期地震动的研究则相对较少,有待进一步补充;对于山地掉层隔震框架结构的研究相对抗震结构较少,考虑长周期地震动作用下掉层隔震结构的抗震性能的研究更无相关文献报道,因此本文考虑
5、将揭示山地掉层隔震结构在多类型长周期地震动作用下的响应和机理作为主要研究内容。长周期地震动特性与特殊成分提取 地震波选择与特性对比 地震动选取本文依据李雪红等提出的判定标准,并结合 建议脉冲波和远场波,在 地震库选取两类长周期地震动各 条,同时选取 条普通地震动进行对比分析,如表 所示。表 不同类型地震动记录选取普通地震动编号 台站 分量 远场地震动编号台站 分量 近场地震动编号 台站 分量 基于 地震动记录时频关系为进一步明确两类长周期地震动的长周期成分出现的时刻,本文基于 分解的方法来获取地震动时频分布关系。在能量累积图中,定义从 到 能量累积的所用时间为,然后根据有效持时的定义求出每条地
6、震动的有效持时。三类地震动的有效持时 存在明显差异,其中远场地震动平均值最大,为 ,近场地震动其次,为 ,普通地震动最小,为 。的平均值从大到小分别为远场、普通、近场,其值分别为 、。这说明近场地震动的主要能量积累在很短的时间即可完成。若考虑 的比值,发现近场地震动的该平均值最小为 ,远场和普通地震动均大于,这表明近场地震动与其他两类地震动的能量累积有所不同,其能量累积相对来说会比其他两类更快更集中,可能是由于速度脉冲的存在,远场地震动的能量累计规律与普通地震动比较接近。从时频角度出发,发现普通地震动在整个时间段内,短周期成分占主导,长周期成分很少;而近场脉冲型,则是在速度脉冲出现的时刻长周期
7、地震动成分最第 期杨佑发 向双龙 金鸿慎:隔震框架结构长周期地震动响应与损伤机理为突出,其他时间有短周期成分出现;对于远场,前段时程主要是短周期成分占主导,但存在一个时刻之后,长周期成分占主导,在时程记录上与长周期的尾波段出现时间相重合。因此,可以认为近场脉冲型长周期地震动的主要长周期成分是由于速度脉冲产生的,而远场长周期地震动的长周期成分主要是尾波段,在后续分析中应重点关注这两类特殊部分。从能量累积角度看,普通地震动和远场长周期地震动累积速度较慢,曲线平缓一些,而近场脉冲型地震动则相对较快;近场长周期地震动的 比值最小,而远场和普通地震动的比值比较接近,说明近场长周期的能量释放很快,因脉冲的
8、存在可能会导致首次超越破坏,而远场长周期则需要注意能量累积损伤破坏。地震动特殊成分提取 近断层脉冲型速度脉冲提取采用经验模态分解(,)这一思路,通过计算各本征模态函数(,)分量与原始地震动记录的各类相似度指标来进行选择。具体操作如下:首先对地震动速度时程进行 分解,计算每个 分量与原始记录的相似度;然后选取相似度指标最大的一个分量,并将大于等于它的其他分量合成无高频成分的脉冲分量;最后只选取幅值最大的一个完整脉冲周期提取出来,将其他部分全部调为。通过上述操作,可以得到一个完整的单脉冲,可得到其脉冲周期,同时将该速度脉冲减去得到的速度记录后通过求导则可得到剔除了脉冲的加速度记录,然后进行基线调整
9、得到处理后的地震记录。下面以 记录为例进行说明。首先对地震动进行 分解,得到了各个 分量,然后分别计算每条 分量与原始波的相似度,其结果如图 所示,发现无论是以何种相似度指标衡量,都是 最大,因此将 及其以后的所有分量进行叠加则可得到如图 所示的单速度脉冲记录,可以进一步求出其脉冲周期为 。最后将速度脉冲从原始速度记录中减去之后,通过求导得到经过处理后的如图 所示的加速度记录,可以看出其峰值有所减小。远场长周期地震动长周期尾波提取对于远场长周期地震动,其特殊长周期组分是尾波段即长周期面波段,本文直接根据 时频分布图来识别面波到达时间,通常可以将反频散区段和正频散区段的重叠区段近似认为面波达到的
10、时间点,在 时频图中则表现为:前半部分为高频段,后半部分为低频集中段,可以判断重叠区段,同时截出尾波即可,最后将尾波截除后的地震动记录进行地震基线调相似度相对大小1.00.80.60.40.201234567imf分量数Pearson相似度;欧式距离;余弦相似度;Tanimoto相似度注:图 波各 分量与原波相似度比较速度/(c m s-1)01020304050时间/s-150-100-50050100150图 提取的速度脉冲记录时间/s01020304050-600-400-2000200400600800加速度/(c m s-2)提取等效加速度;原始加速度注:图 原始加速度和提取加速度对
11、比图增处理得到处理后的远场长周期地震记录。以地震记录 为例,在时程记录图 中,可以明显看出反频散区段的周期较短,而正频散区段的周期较长,不过为了明确频率的变化关系,通过 时频图则是更为合理的一种方法。在时频分布图铁 道 工 程 学 报 年 月(图)中,第一条白虚线前则是反频散区段,在这个区段里 的成分同时存在,且大部分能量都集中在 之间,而在第二条白虚线之后,几乎所有的能量都集中在 以下,是明显的正频散区段,因此在尾波的截取中,可以直接将第二条虚线之后地震记录进行截断,然后进行基线调整,得到去除了长周期尾波的处理地震动记录。为了研究长周期尾波的频率成分,针对尾波进行 谱分析,然后选择峰值点对应
12、的 作为尾波的卓越周期。加速度/(cms-2)806040200-20-40-60-80100150200250时间/s500正频散段反频散段重叠段图 远场波时程记录下的正反频散区段时间/s500100 120 140 160 180 200204060800246810频率/Hz706050403020100图 远场波 谱下的正反频散区段为了验证提取尾波的有效性,将其与原始地震动记录的位移谱进行对比,如图 所示,发现其尾波在 左右达到最大位移响应,而原始地震波也是在 左右,同时两者的峰值几乎没有差别,可以认为在这个情况下尾波段是控制最大位移的主要成分,也是引起长周期结构产生较大响应的关键成分
13、。051015Tn/s00.20.40.60.81.01.21.4位移/m原始波;截取尾波注:图 原始波与截取尾波位移谱对比 长周期地震下掉层隔震框架地震响应机理分析 本文将基于有限元软件 进行分析,首先进行模型有效性的验证,然后建立铅芯掉层隔震框架结构模型并进行后续探讨。模型验证与隔震设计试验在重庆大学大型结构实验室完成,试件的总层数为 层、总跨数为 跨、掉 层 跨的掉层结构。试验原型的抗震设防烈度为 度(g),设计地震分组为第一组,建筑场地类别为类,缩尺比例为 。试件的梁截面尺寸为 ,柱截面为 ,梁、柱纵向钢筋采用 级,箍筋采用 的钢丝,混凝土强度等级为。试验加载现场装置如图 所示。图 试
14、验加载现场装置通过 建立数值模型并与掉层框架结构的拟静力试验进行对比,经过计算后得到如图 所示的结果。可以看出,数值模型的滞回曲线与试验结果比较接近,只是数值模拟的最大剪力稍大于试验结果,同时滞回曲线的“捏缩”现象较试验略有差异,试验结果达最大剪力后下降慢一些。但两者的趋势是相近的。可以认为,用 所建立的掉层框架结构模型是合理的。力/kN150100500-50-100-150-150位移/mm-100-50050100150SAP2000;Exp.注:图 与试验滞回曲线对比第 期杨佑发 向双龙 金鸿慎:隔震框架结构长周期地震动响应与损伤机理采用 按分部设计法进行合理设计,首先进行上部结构的设
15、计,然后再针对隔震层进行设计并选用合适的隔震支座,接着采用 软件建立隔震模型。柱网间距为 ,层高均为 ,混凝土采用,梁截面为 ,柱截面为 ,纵向受力钢筋采用,箍筋采用,抗震设防烈度为 度(g),场地类别为类,设计地震分组为第三组,楼面永久荷载标准值 ,活荷载标准值 ,其余荷载均按建筑结构荷载规范()确定。计算时取中间一榀框架,其模型如图 所示。123456柱端编号图 山地掉层框架结构计算模型本文将采用基础隔震,即设置在基础顶面,鉴于山地掉层框架结构的特殊性,应在上下接地层的柱底分别加设隔震垫,隔震层高 。隔震垫的数量和直径大小根据支座的面压确定。将上述经过 设计的一榀框架结构导入至 中,提取基
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- 关 键 词:
- 框架结构 周期 地震 响应 损伤 机理