基础隔震建筑实际地震响应实时监测及分析

丁志斌 王 良 戴靠山，* 张世明 朱正言

基础隔震建筑实际地震响应实时监测及分析

丁志斌1，2王 良1戴靠山1，2，*张世明3朱正言1

（1.四川大学土木工程系，成都 610065； 2.深地科学与工程教育重点实验室，成都 610065；3.同济大学土木工程学院，上海 200092）

隔震建筑在实际地震中的响应是研究其抗震性能的重要参考，通过分析隔震建筑体系（含隔震支座、阻尼器等）在地震作用下的响应数据，有助于提高隔震建筑分析和设计水平。在四川某学校建筑实施了基础隔震加固，同时建立了基础隔震建筑远程实时监测系统，对隔震建筑体系的位移、加速度，以及阻尼器的出力和行程等主要响应参数进行实时监测。自2019年6月以来，监测系统获得了多次地震作用下的结构响应数据，包括2019年宜宾系列地震、2020年成都青白江地震等。首先介绍了该隔震建筑体系及其远程实时监测系统，并基于近期主要地震下的实时监测数据，与数值模拟结果进行对比，分析与讨论实际地震下的隔震建筑体系响应。结果表明，监测系统运行良好，所测数据有效可靠。

基础隔震加固， 实时监测系统， 隔震结构， 宜宾地震， 地震响应

0 引 言

2008年汶川地震造成大量建筑物破坏倒塌、人员伤亡和财产损失，因此国家要求对教学楼等重要公共建筑采用更高的设计标准，这给传统抗震设计带来困难。在此背景下，消能减震及隔震技术得到迅速发展和应用，已被列入我国当前《建筑抗震设计规范》（CB 50011—2010）（以下简称《抗规》）［1］和相应设计规程［2-3］。基础隔震是一种典型的建筑结构减隔震技术，通过在基础与上部结构之间增设隔震层，延长结构体系的自振周期，达到提高结构抗震能力的目的。国内外学者在隔震技术的理论分析、模型试验、产品研发、结构设计与施工等方面做了大量工作并取得重要成果［4-5］。钟玉成等［6］分析比较了不同隔震体系下的水平向减震系数等计算结果，验证了基础组合隔震技术的优越性。谢沐玄等［7］为保护历史建筑提出了性能化隔震的两阶段设计方法，并结合实际案例分析验证了其方法的合理性及有效性。

地震监测以及隔震建筑在实际地震作用中的表现也备受关注［8-9］，研究隔震建筑在实际地震作用下的响应有助于提高隔震建筑结构分析和设计水平［10］。陈洋洋等［11］针对汶川灾后重建的隔震建筑使用了远程实时监测系统，监测到小震作用下结构加速度响应。杜永峰等［12］针对某基础隔震结构设计并构建了健康监测系统，记录并分析了外界荷载作用下隔震层温度和上部结构加速度响应。戴靠山等［13］对某小学宿舍楼进行隔震加固，同时设计并安装了一套远程实时监测系统，成功采集到宜宾系列地震作用下结构加速度、阻尼器出力等响应数据。目前国外对强震作用下隔震建筑的地震响应监测和分析取得了较多成果［14-20］。Celebi［14］通过1994年北岭地震下南加州大学（USC）医院大楼的响应数据，分析了该基础隔震建筑在大震下的性能。Hijikata等［18］则研究了日本311大地震期间福岛第一核电站某基础隔震建筑的表现。我国减隔震技术实施工程显著增长的同时需同步推进监测工作，为提升减隔震技术积累第一手实际数据。

在四川省某学校建筑的隔震加固改造过程中，设计并布置了一套监测系统；基于互联网技术，借助实时摄像装置和远程控制平台，实现隔震建筑结构远程实时监测，地震响应数据实时采集和远程传输。系统成功监测到5级以上地震引起的隔震建筑体系地震响应，获得了阻尼器、隔震支座及隔震建筑结构在实际地震作用下的响应数据。通过对比分析隔震建筑在实际地震作用下的实测响应与数值模拟结果，实现监测系统协调运行状态评估，分析并验证监测数据的有效性。

1 隔震改造设计和施工

某小学相邻两宿舍楼（左侧为女生宿舍楼、右侧为男生宿舍楼），分别为五层和四层砖混结构，层高均为3 m，建筑面积约9 442 m2。上部结构采用MU10普通烧结砖，M7.5水泥混合砂浆砌筑；现浇部分混凝土强度等级为C20，纵筋采用HRB335级，箍筋采用HPB235级；无地下室，基础为墙下条形基础。原抗震设防等级7度0.1，Ⅱ类场地第二组。

5.12汶川大地震中，建筑结构局部轻微受损。为进一步满足震后国家及四川省现行相关规范及文件的最新要求，受业主委托对该建筑进行结构抗震加固改造。采用基础隔震的方式进行加固处理，隔震层高度为0.8 m，按照《抗规》中水平地震作用降低一度的隔震目标分别进行抗震设计。设计的基本条件为：设防烈度为8度（0.2），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期g=0.4 s，建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类）。

图1　隔震系统平面布置图

表1　 隔震支座性能参数

注：为基准面压；v为竖向刚度；d为初始刚度；h为等效刚度；d为屈服力。

表2　 阻尼器性能参数

实际实施中，隔震层采用增设墙下钢筋混凝土托梁的方式进行托换改造。主要的施工环节如下：

（1） 场地整理。将室外散水拆除至满足设计要求的宽度并留有足够的施工作业面；室内地坪拆除并保持干净。室内外土方挖至设计深度，宽度适度超挖满足施工作业宽度，做好排水措施，避免基础被雨水浸泡［图2（a）～（d）］。

（2） 隔震层底施工。浇筑好垫层后拆除构造柱，开凿拉梁与支座洞口，开洞高度为结构圈梁底至支墩底，砖墙开洞应交错进行，同一段墙体上避免同时进行多处开洞施工。开洞结束后，依次绑扎基础梁及下支墩钢筋、支设基础梁模板、安装橡胶支座下预埋件。浇筑混凝土至设计标高，当混凝土初凝时应及时对隔震支座支墩顶面进行找平工作［图2（e）～（k）］。

（3） 隔震层施工。当隔震层底混凝土强度达到设计强度85%时吊装橡胶隔震支座及上预埋件。依次在圈梁上部开洞及砖墙钻孔、隔震层梁底支模、绑扎隔震层钢筋（原结构圈梁两侧新增圈梁钢筋），同时将阻尼器、限位器安装在相应设计位置［图2（j）～（q）］。

（4） 隔震层顶及附属设施施工。隔震层楼板支模并布筋，然后浇筑隔震层梁、楼板混凝土，待混凝土强度达到设计强度75%后，拆除模板与残余墙体。同时预留检修通道，并在建筑的隔震层周边砌筑净距不小于300 mm的防震沟，做好防水处理［图2（r）～（x）］。

图2　施工现场

2 远程监测系统及实测地震响应

基于动态测试平台，在隔震建筑两宿舍楼之间设置现场数据采集站，在地面和楼层布设加速度传感器、在隔震支座处布设位移计、在黏滞阻尼器处布设位移计及力传感器，如图3所示。基于互联网技术，借助实时摄像装置和远程控制软件平台，实现隔震建筑结构响应远程实时监测。在隔震建筑的地面、隔震支座顶部以及楼顶分别布设三向加速度传感器［图3（a）］。在隔震建筑左、右单体隔震层，分别选取各单体中心及对角线位置处的隔震支座，设置支座位移监测测点。依据所选隔震支座位置，女生宿舍位移测点编号为LD、C、RU；男生宿舍位移测点编号为LU、C、RD［图3（b）］。每个位移监测点，设置一组位移计，对应于单体结构的长轴方向和短轴方向。隔震层黏滞阻尼器分布及相应的位移、力监测测点布置及其编号如图3（c）所示。图4示意了隔震建筑实时监测系统主要组成部分。

图3　远程实时系统数据采集点

图4　隔震建筑远程实时监控系统

表3　 监测到的4次5.0级以上地震系统基本信息列表［19］

实测地震下的响应为隔震设计的模型校核提供了数据支撑。2019年6月17日—2020年2月3日，四川省先后发生里氏4.0级以上地震27次，5.0级以上地震8次（注：数据来源于中国地震台网www.ceci.ac.cn/speedsearch）。监测系统成功监测到多个数据，本文对2019年6月—2020年2月间，4次5.0级以上地震下实时监测数据进行分析总结。表3列出4次地震的基本信息，其中震中宜宾市珙县、长宁县距隔震建筑所在位置约350 km，震中青白江区距离隔震建筑所在位置大约150 km。

表4给出了4次地震中隔震建筑的峰值加速度响应。随着地震强度的增加，峰值加速度响应明显增加。

表4　 地震作用下男女生宿舍楼的峰值加速度响应

图5给出2019年6月22日珙县5.4级地震作用下隔震建筑不同楼层加速度响应时程。由图可知，地震作用下长轴向和短轴向加速度响应，在男生宿舍1层（隔震层顶）、4层（建筑单体顶层楼板）处相较于隔震层底均有不同程度放大；同时，男生宿舍1层和4层平面不同位置测点的加速度响应较接近。从监测结果不难看出，虽然地震动强度较弱，隔震层还未能进入到充分工作状态；然而，隔震层以上结构大体呈现整体水平平动，隔震建筑的特点在一定程度上得以呈现。

图5　隔震建筑实测加速度时程

6月22日珙县地震作用下，隔震支座位移监测测点、黏滞阻尼器出力监测测点均捕获明显地震响应信号；由于震中距离监测系统所在地较远，因此隔震支座位移及阻尼器出力值都较小，但监测数据表明阻尼器出力杆已开始运动，如图6所示。

图6　6月22日珙县地震作用下隔震层阻尼器出力时程

3 地震响应数值模拟及对比

采用实际地震作用下隔震建筑基础测点测得的水平向（向、向）地震加速度，作为有限元模型分析的输入地震波。以2019年6月22日宜宾珙县地震（M5.4）为例，有限元分析输入地震波加速度时程曲线如图7所示。

图7　有限元数值模拟采用的地震波加速度时程

图8给出隔震建筑加速度时程对比。以男生宿舍长轴向［图8（a）］为例，70～90 s时段内实测数据与数值模拟结果在1层、4层处加速度响应幅值较大；并两者加速度响应在78 s附近都达到峰值，峰值大小十分接近。对比基础（隔震层底），无论是实测数据还是数值模拟结果在1层、4层处加速度响应均有放大且放大程度基本一致。同时，男生宿舍1层、4层处加速度响应时程的数值模拟结果同样十分接近。分析表明两者数据加速度时程变化趋势一致，相似度较高，类似情况在隔震建筑其他监测位置、监测方向也均能体现。

图8　隔震建筑加速度时程对比

表5对比了各监测位置加速度峰值实测与有限元分析结果。在宜宾系列地震中以珙县5.4级地震为例，女生宿舍短轴向基础加速度峰值为0.88 gal，隔震层顶峰值加速度的实测数据为1.38 gal，与之对应数值模拟结果为1.45 gal，两者峰值大小接近，其放大倍数比为1.05；楼顶处实测数据为1.77 gal，数值模拟结果为1.99 gal，放大倍数比值为1.12。由表5可知，珙县5.1级、长宁县5.3级地震作用下，男女生宿舍各监测位置处加速度峰值均出现类似的情形。针对表中出现男生宿舍楼顶和女生宿舍隔震层顶的实测与模拟分析有较大差距，分析其原因可能是由于结构震动响应较小，传感器灵敏度水平和结构模拟模型的不确定性等各方面原因导致。但对比可得实测与有限元分析结果在幅值量级、楼层放大效应等方面趋势一致，表明实时监测系统运行正常，所测得数据有效。

表5　 男女生宿舍监测位置加速度峰值实测与有限元分析结果对比

注：放大倍数比=实测数据较基础放大倍数/模拟数据较基础放大倍数。

地震作用下实测所得阻尼器出力时程与计算所得阻尼器出力时程对比如图9所示。女生宿舍监测位置处实测数据与数值模拟结果阻尼器出力较大时段均为70～100 s，出力峰值接近均出现在80 s附近［图9（a）］。连廊位置处实测阻尼器出力时程在80 s后呈现整体向上偏移变化趋势，初步分析可能由于阻尼器工装间隙以及力传感器的频响问题造成。但是，信号漂移发生在地震峰值时刻之后，考虑观测目标为最大阻尼器出力，并将与初始测试量的相对峰值作为力传感器结果来考虑，这样的误差在可接受范围内。今后可以通过完善监测传感器和阻尼器连接工装、改进数据分析算法等方法，进一步改进数据采集、处理与分析。对比图中，阻尼器出力较大的持续时间，实测数据与模拟结果保持一致（70～90 s），出力达到峰值同样都在80 s附近，其峰值也保持在同一数量级［图9（b）］。

图9　地震作用下隔震层阻尼器出力时程对比

4 结 论

本文介绍了都江堰某学校建筑基础隔震改造设计和实施过程，并介绍了该工程的远程实时监测系统。基于远程实时监测系统获得的数次地震下隔震建筑结构响应，结合有限元数值模拟，分析得出以下结论：

（1） 2019年6月17日—2020年2月3日期间，成功监测到隔震建筑在一系列地震作用下的结构响应。实测响应数据表明，由于地震动强度较弱，隔震层运动幅值很小，还未能进入到充分工作状态；隔震层以上结构大体呈现整体水平平动，隔震建筑的特点在一定程度上得以呈现。

（2） 除常见的加速度响应外，监测系统还监测到支座位移、阻尼器出力等隔震建筑体系其他响应参数；对比实测数据与数值模拟结果，发现两者数据基本吻合，趋势及量级保持一致，证明监测系统工作正常，所得数据有效。

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Real-Time Monitoring and Analysis of Seismic Responses of a Base-Isolated Building

DINGZhibin1，2WANGLiang1DAIKaoshan1，2，*ZhangShiming3ZhuZhengyan1

（1.Department of Civil Engineering，Sichuan University， Chengdu 610065， China； 2.MOE Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering，Sichuan University， Chengdu 610065， China； 3.College of Civil Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）

Structural vibration and bearing working status of base-isolated buildings during earthquakes are important information for seismic performance evaluation of the structure.Actual responses of the building structure， bearings， and dampers under earthquakes are helpful for the improvement of seismic design. In this paper，a base-isolated system （BIS） was adopted to retrofit a school dormitory building in Sichuan Province. Along with the construction，a real-time monitoring system （RMS） was implemented.From June 2019 to February 2020，several earthquakes events in have been successfully recorded by the system. In this paper， the BIS and RMS of the dormitory building were introduced. Analyses and discussions were reported based on the comparison of monitoring data and numerical simulation results.Results show that the monitoring system has been operating well and data collected by the system are reliable．

Retrofit with base isolation， Real-time monitoring system， Base-isolated building， Yi-Bin Earthquake， Seismic response

2021-02-23

四川省科技计划项目（2020YJ0078），中央高校基本科研业务费项目

丁志斌（1981-），男，讲师，博士，主要从事土木工程防灾研究。E-mail：zhibin@scu.edu.cn

联系作者：戴靠山（1977-），男，教授，博士，主要从事土木工程防灾研究。E-mail： kdai@scu.edu.cn