吴 强，陈少林

（南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏 南京 210016）

引言

与普通地震动相比，近断层脉冲型地震动速度时程中含有明显的长周期、高幅值脉冲，会造成隔震结构隔震层位移过大［1-5］。为研究近断层脉冲型地震动对隔震结构的影响因素，韩淼［3］分析了近断层脉冲型地震动的相关特征参数与基础隔震结构动力响应之间的关系，杨迪雄［4］分析了近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应对隔震建筑结构减震性能的影响。

由于近断层脉冲型地震动对隔震结构的不利影响，王栋等［6］采用橡胶支座、弹性摩擦滑板支座加阻尼器的组合基础隔震系统，通过时程分析表明，组合基础隔震系统可以有效减小近断层地震下结构的地震响应。Calugaru［7］研究表明摩擦摆支座结合黏滞阻尼器形成的组合基础隔震结构是一种有效的隔震减震技术。潘钦锋［8］提出滑板支座、复位装置相结合的组合隔震系统，陈通［9］采用铅芯橡胶支座与黏滞阻尼器组合的隔震体系的隔震效果都比较明显，而仅采用铅芯叠层橡胶支座的隔震体系在近断层地震作用下无明显隔震效果，结构安全性无法保证。吴应雄［5］对大底盘单塔楼在橡胶支座隔震层增设黏滞阻尼器组成复合减隔震体系，试验结果表明复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移。上述研究表明，隔震层设置黏滞阻尼器可以减小罕遇地震下的隔震层位移。

但上述研究都是采用地震动具有脉冲特性的一条水平分量进行的单向地震作用分析，由于地震动是三向作用，其中2个水平分量都对隔震结构水平方向隔震性能产生影响，而近断层地震动脉冲特性在不同方向上差异明显［10-11］，近断层脉冲型地震动可能2 个水平分量都具有明显脉冲特性，可能只有1个水平分量具有明显脉冲特性，因此，文中通过对比单向地震作用和双向地震作用，分析在近断层脉冲型地震动双向水平分量作用下的基础隔震结构和组合隔震结构地震反应。

1 近断层脉冲地震动双向水平分量作用对基础隔震结构的影响

为研究近断层脉冲型地震波记录2 个水平分量对隔震结构的影响，文中从美国太平洋地震工程研究中心强震数据库中（http：//peer.berkeley.edu）选取了ChiChi（6条）、Northridge（4条）和Imperial Valley（4条）地震的14条近断层脉冲型地震波记录，如表1所示，表中PGA为地面加速度峰值。

图1 所示为4 层框架结构采用基础隔震的隔震垫平面布置图，框架结构底层层高4 m，其余层层高3 m，抗震设防烈度为8 度（0.2 g），Ⅱ类场地，由于近断层脉冲型地震动会对基础隔震结构的隔震层产生过大位移，选取隔震垫时控制设计地震作用下减震系数小于0.4 和罕遇地震作用下隔震层位移小于0.55 D，通过试算，取隔震垫直径为800 mm，符号LRB 和LNR 分别代表铅芯橡胶隔震垫和天然橡胶隔震垫，LRB 800 的屈服前水平刚度13 120 kN/m，屈服后水平刚度1 312 kN/m，等效水平刚度2 278 kN/m，屈服力160.8 kN，LNR 800 水平刚度1 310 kN/m。非隔震结构和隔震结构的前二阶平动周期分别为0.627、0.603、2.196、2.192 s。

图1 隔震垫平面布置图Fig.1 Plan view of the the isolation bearings

1.1 罕遇地震作用下的基础隔震结构隔震层位移

1.1.1 单向水平地震作用此处仅考虑结构的x方向，单向地震动输入上述地震波分量时，按《建筑抗震设计规范》将所有地震波分量加速度峰值均调整为4 m/s2，罕遇地震下隔震层x向位移如表1 第4 列所示，对应表1 中每一条地震波的2 个水平分量，14条近断层脉冲地震波记录中，若2个水平分量均存在明显速度脉冲，此时2个水平分量产生的隔震层位移都很大，如TCU068 的2 个分量产生的隔震层位移分别为570 mm 和436 mm；也可能只有一个方向水平分量脉冲效应明显，此时只有该水平分量产生的隔震层位移很大，另一方向水平分量产生的隔震层位移相对较小，如TCU075的2个分量产生的隔震层位移分别为559 mm和130 mm。

表1 基础隔震结构和组合基础隔震结构减震系数和隔震层位移Table 1 The seismic decrease coefficient and isolation layer displacement of base-isolated structure and composite isolated structure

近断层脉冲单向水平地震作用时，常见的研究方法是将脉冲效应明显的水平分量的峰值加速度调整到规范建议数值进行分析，但是，对于每一条地震波记录，并不是实际记录的加速度峰值大的分量的脉冲效应明显且对隔震层产生的位移大，对比表1 中第4 列的隔震层位移，在14 条近断层脉冲地震波记录中，仅TCU068、TCU075、CHY101和El Centro Array#3记录的地震波中，加速度峰值大的分量比加速度峰值小的分量对隔震层产生的位移大，其余地震波记录中均是实际记录的加速度峰值小的分量产生的隔震层位移相对更大。

1.1.2 双向水平地震作用

由于地震动是三向作用，其中2个水平分量都对隔震层水平位移产生影响，且隔震垫的水平位移应该是由2个水平分量产生的位移合成。考虑双向地震作用，按抗震规范方法，将实际记录的地震动峰值大的水平分量的地震动峰值调整为4 m/s2，另一方向水平分量按0.85∶1 调整为3.4 m/s2，同时施加于结构上，图2 给出了3条地震波双向水平地震作用下隔震层2个水平方向位移时程曲线，由于2个方向的水平位移最大值并不是在同一时刻达到，隔震垫总水平位移不能直接采用2 个水平方向位移最大值平方和开方得出，表1 中第5列的隔震层位移最大值是根据2个水平方向位移的时程曲线，采用平方和开方计算每一时刻的隔震层位移，进而再求最大值的方法得出的，其平均值为423 mm，小于0.55D。

图2 双向水平地震作用下隔震层位移时程曲线Fig.2 Time-displacement curves of isolation layer under bi-directional earthquake action

与单向地震作用对比，若仅实际记录的地震动峰值大的分量速度脉冲明显或两个方向分量均存在明显速度脉冲，则双向地震作用产生的隔震层位移大于单向地震作用，如表1 中第5 列的TCU068、CHY101、El Centro Array#3的隔震层位移；若仅仅实际记录的地震动峰值小的分量存在明显速度脉冲，由于其加速度峰值调整为3.4 m/s2，相比于具有速度脉冲的单向地震波作用，双向水平地震作用产生的隔震层最大位移值小，如表1中第5列的TCU082、JEN、Brawley Airport、El Centro Array#5的隔震层位移。

因而，近断层脉冲地震动与普通地震动的双向地震作用不同，普通地震动双向地震作用产生的隔震层位移大于单向地震作用［12-13］，由于近断层脉冲地震动存在3 种情况：加速度峰值大的分量速度脉冲明显、加速度峰值小的分量速度脉冲明显或2 个方向分量均存在明显速度脉冲，若仅加速度峰值大的分量速度脉冲明显或2个方向分量均存在明显速度脉冲，则产生的隔震层位移大于单向地震动，若仅仅加速度动峰值小的分量存在明显速度脉冲，则双向水平地震作用产生的隔震层最大位移值小于单向地震动。

1.2 设计地震作用下的基础隔震结构的减震系数

1.2.1 单向水平地震作用

对结构的x方向，按单向地震动输入上述地震波分量，所有地震波分量加速度峰值均调整为2.0 m/s2，分别得出隔震和非隔震结构楼层最大剪力，从而计算得到的设计地震作用下x向减震系数如表1 第6 列所示；按单向地震作用计算时，在每一条地震波记录中，取速度脉冲明显的分量减震系数来计算，其最大值达到0.63，平均值为0.44，对于图1 中4 层框架结构，若按单向地震动输入计算，取隔震垫直径800 mm 且仅在4 个角部附近布置铅芯橡胶垫，仍难以满足减震系数小于0.40的要求。

1.2.2 双向水平地震作用

考虑双向地震作用，与隔震层位移计算方法不同，针对图1，工程中关心的是X和Y方向的减震系数，将实际记录的地震动峰值大的分量的地震动峰值调整为2.0 m/s2，另一方向分量按0.85∶1调整为1.7 m/s2，仅考虑X方向的减震系数，对隔震和非隔震结构考虑2 种工况：（1）峰值为2.0 m/s2的分量作用于X方向、峰值为1.7 m/s2的分量作用于Y方向；（2）峰值为2.0 m/s2的分量作用于Y方向、峰值为1.7 m/s2的分量作用于Y方向；分别计算出隔震和非隔震结构在X方向的最大楼层剪力，从而计算出基础隔震结构的减震系数。

表1 第7 列给出了双向地震作用下基础隔震结构X向的减震系数，平均值为0.39，小于按单向地震作用计算的减震系数平均值，且满足减震系数小于0.40的目标。

2 近断层脉冲地震动双向水平分量作用下设置黏滞阻尼器的组合隔震结构的减震性能

近断层速度脉冲地震动作用下，考虑在隔震层设置速度相关型的黏滞流体阻尼器，形成组合基础隔震，图3 与图1 相比，将直径800 mm 的铅芯和普通橡胶垫换成直径500 mm 的铅芯和普通橡胶垫，铅芯和普通橡胶垫的布置位置和数量不变，图3中LRB 500的屈服前水平刚度8 014 kN/m，屈服后水平刚度801.4 kN/m，等效水平刚度1 390 kN/m，屈服力62.8 kN，LNR 500水平刚度798.5 kN/m；并分别沿每个方向设置了6个黏滞流体阻尼器，与减震结构的阻尼器取值不同，黏滞流体阻尼器的速度指数采用相对较大值，阻尼器的阻尼指数取0.55，阻尼系数取为30 kN/（mm/s）0.55，组合基础隔震结构的第一周期为2.795 s。

图3 组合隔震结构阻尼器和隔震垫布置图Fig.3 Plan view of the fluid viscous dampers and the isolation bearings

考虑单向和双向水平地震作用，设计地震和罕遇地震作用时，输入前述的14条地震波记录，组合基础隔震结构的罕遇地震作用下的隔震层位移和设计地震作用下的减震系数如表1中第8～11列所示。14条地震波水平双向地震作用下，组合基础隔震的减震系数最大值为0.46，最小值为0.19，平均值为0.29，满足按降低一度设计减震系数小于0.4的要求；组合基础隔震结构在罕遇地震作用下的的隔震层位移平均值为258 mm，小于0.55 D。

对比表1中第7列、第11列和第5列、第9列的双向地震作用时的减震系数和隔震层位移，基础隔震方案在满足位移限值和减震系数的条件下，需设置成800 mm 的隔震垫；由于组合基础隔震结构方案中隔震层包含速度相关型的黏滞流体阻尼器，隔震垫设置为直径500 mm 时，隔震层位移仅为258 mm，且相对于基础隔震结构，组合基础隔震结构减震系数降低明显，平均值由0.39 降低为0.29，因而，近断层脉冲地震作用下，设置黏滞流体阻尼器的组合隔震结构可以在控制减震系数的同时，减小隔震层位移。

组合基础隔震结构在罕遇地震单向和双向水平分量作用下的隔震层位移特性与基础隔震结构相同，对比表1 中第8 列和第9 列，若仅仅加速度动峰值小的分量存在明显速度脉冲，则双向水平地震作用产生的隔震层最大位移值小于单向地震动，如TCU082、JEN、El Centro Array#5；如若仅加速度峰值大的分量速度脉冲明显或两个方向分量均存在明显速度脉冲，则双向水平分量作用下产生的隔震层位移相比于单向地震作用有所增大，如TCU068、CHY101、El Centro Array#3。

3 结论

近断层脉冲型地震动可能两水平分量都具有明显脉冲特性，可能只有一个水平分量具有明显脉冲特性，文中通过对比单向地震作用和双向地震作用，分析了在近断层脉冲型地震动作用下的基础隔震结构和组合隔震结构地震的减震系数和隔震层位移，主要结论有：

（1）近断层脉冲地震动与普通地震动双向地震作用不同，普通地震动双向地震作用产生的隔震层位移大于单向地震作用，而近断层脉冲地震动若两个方向分量均存在明显速度脉冲或地震动峰值大的分量速度脉冲明显，则产生的隔震层位移大于单向地震动，若仅仅地震动峰值小的分量存在明显速度脉冲，双向水平地震作用产生的隔震层最大位移值小于单向地震动。

（2）近断层脉冲地震动双向水平地震作用下，为满足位移限值和减震系数需求，基础隔震结构需设置成大直径隔震垫且需尽量减少铅芯橡胶垫的数量。

（3）近断层脉冲地震动双向水平地震作用下，设置黏滞流体阻尼器的组合隔震结构可以在控制减震系数的同时，减小隔震层位移，保证隔震支座在罕遇地震作用下的安全。