組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)性能分析

摘 要：組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)能充分利用不同隔震支座體系的優(yōu)勢，有效減弱建筑上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。文章結(jié)合組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用，采用組合隔震支座分析模型進(jìn)行計(jì)算分析，并利用房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過結(jié)果比較，研究分析組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的地震反應(yīng)及其恢復(fù)力。結(jié)果表明組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)不僅能有效地削弱建筑上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，而且能保證隔震層的變形在安全范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：組合基礎(chǔ)隔震；工程應(yīng)用；模型分析；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU352.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）30-0043-03

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)通常以結(jié)構(gòu)剛度吸收地震輸入能量為基礎(chǔ)，進(jìn)而保證建筑仍能正常使用以及保證人身安全，但總是難以避免因建筑變形導(dǎo)致的人身傷亡和物品的破壞；而基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)則是憑借隔震層吸收地震能量近乎都由基礎(chǔ)隔震層吸，防止結(jié)構(gòu)破壞，確保人員和物品安全。基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)利用耗能器消減地震輸入能，通過隔震可控制能量向上傳遞。因而基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)通常選用具有剛塑性、粘塑性、粘滯阻尼型、彈塑性的隔震器或組合式隔震器。

組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)是將復(fù)位元件和滑移摩擦隔震支座結(jié)合起來，將兩種不同類型的隔震高效的組合在一起，使其既擁有摩擦耗能能力，又擁有復(fù)位能力，使系統(tǒng)震后恢復(fù)原位。

本文研究選用組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)是由疊層橡膠支座和滑板摩擦支座組合而成，系統(tǒng)中滑板摩擦支座滯回耗能，疊層橡膠支座提供復(fù)位力。這種組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)隔震原理簡明，效果顯著。

本文先介紹組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在廣州大學(xué)行政辦公樓工程中的應(yīng)用實(shí)例，隨后通過建立合理的組合隔震支座分析模型，進(jìn)行組合隔震支座的恢復(fù)力及加速度反應(yīng)幅值計(jì)算，并利用房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析，通過對(duì)分析模型的計(jì)算結(jié)果和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)進(jìn)行地震反應(yīng)對(duì)比分析及恢復(fù)力研究，對(duì)其震性能進(jìn)行較為全面準(zhǔn)確的分析和討論。

1 組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)工程應(yīng)用

廣州大學(xué)行政辦公樓工程包括兩棟六層框架結(jié)構(gòu)辦公樓，把左側(cè)的一棟辦公樓采用組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)建成隔震結(jié)構(gòu)。隔震層設(shè)置在地下室與首層之間，隔震層平面尺寸約為73 m×143 m，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7 ？觷，建筑場地屬II類場地?？偨ㄖ娣e約30 000 m2。兩棟辦公樓中將安裝強(qiáng)震儀。

組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)選用橡膠隔震支座（包括普通橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座）和彈性滑板支座兩種類型隔震支座。此工程中共使用各類支座209個(gè)。

廣州大學(xué)行政辦公樓工程組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中，在對(duì)應(yīng)豎向長期設(shè)計(jì)荷載相對(duì)較小的柱的位置布置彈性滑板支座，剪力墻在大震時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，在其下布置鉛芯橡膠支座，在其它柱位布置普通橡膠支座。為保證隔震層擁有相對(duì)較大的變形能力，該布置方式中選用直徑較大的橡膠支座，大約為500 mm。

該工程中依據(jù)支座極限承載能力，采用的直徑為300 mm滑板支座中四氟板，其最大設(shè)計(jì)面壓為20 MPa；直徑為350 mm橡膠支座，其最大設(shè)計(jì)面壓為15 MPa。

對(duì)工程中的全部支座進(jìn)行了一系列性能測試，支座的測試內(nèi)容包括豎向剛度、屈服力和剪切變形100%時(shí)水平剛度等方面性能。該工程水平剪切變形100%時(shí)隔震層測試結(jié)果見表1。在設(shè)計(jì)豎向壓力1 400 kN時(shí)，四氟板和不銹鋼板面間不添加潤滑劑時(shí)，水平恢復(fù)性能良好，水平摩擦系數(shù)為4%，屈服前剛度為4.25 kN/mm，不銹鋼板面與四氟板之間加硅脂油潤滑情況下水平恢復(fù)性能良好，水平摩擦系數(shù)為0.6%。

經(jīng)過對(duì)支座的一系列檢測和計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：廣州大學(xué)行政辦公樓工程中科學(xué)合理的運(yùn)用了組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，在遭遇大震時(shí)建筑保持結(jié)構(gòu)性能，并且能控制隔震層水平變形幅度，使其在合理區(qū)間內(nèi)浮動(dòng)。

2 組合隔震支座分析模型

組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中，由于疊層橡膠支座具有良好的彈性性能，因而系統(tǒng)的向心復(fù)位力由疊層橡膠支座提供。在疊層橡膠支座水平方向采用一粘滯阻尼器和一線性彈簧的組合方式，將疊層橡膠支座簡化為一線彈性粘滯阻尼隔震器，采用豎向力—變形采用線彈性模型模擬分析。疊層橡膠支座水平力恢復(fù)力Frb計(jì)算公式如下：

Frb=Frb？孜+Frb1

式中：Frb？孜為疊層橡膠支座粘滯恢復(fù)力，F(xiàn)rb1為疊層橡膠支座彈性恢復(fù)力。

滑移摩擦支座水平方向采用一粘滯阻尼器和庫侖阻尼器組合的隔震器，豎向力—變形也采用線彈性模型進(jìn)行模擬分析?；颇Σ林ё交謴?fù)力Fsb計(jì)算公式如下：

Fsb=Fsb？孜+Fsbh

式中：Fsb？孜為隔震支座粘滯阻尼器的粘滯恢復(fù)力，F(xiàn)sbh為雙線性有庫侖阻尼器的滯回恢復(fù)力。

多自由度基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

[M]ü+[C]FF■■+[K]FFu+ 0Fsb（u1）+Frb（u1）=-[M]lüg

式中：[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，[C]FF為基底隔震器阻尼和剛度為零的阻尼矩陣，[K]FF為基底隔震器阻尼和剛度為零的剛度矩陣，F(xiàn)rb（u1）為疊層橡膠支座的水平恢復(fù)力，F(xiàn)sb（u1）滑移摩擦支座的水平恢復(fù)力，ü為系統(tǒng)的加速度、■■為系統(tǒng)的速度、u為系統(tǒng)的位移列向量，u1為隔震層的位移，üg為震動(dòng)輸入加速度，1為單位列向量。通過ANSYS5.5的求解器用Newmark有限差分法進(jìn)行其運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算求解。

對(duì)采用的隔震房屋模型進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)粘滯阻尼采用瑞雷阻尼假定，上部結(jié)構(gòu)粘滯阻尼比試驗(yàn)值取2.2%，疊層橡膠支座粘滯阻尼比ξb取3%，滑動(dòng)摩擦支座粘滯阻尼比ξb取5%。

組合隔震支座分析模型的計(jì)算及理論分析結(jié)果，在后文中與組合基礎(chǔ)隔震房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一陳述和比較，詳見第4節(jié)。

3 組合基礎(chǔ)隔震房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

以實(shí)際房屋為參照，依照振動(dòng)臺(tái)承載能力和結(jié)構(gòu)相似理論，設(shè)計(jì)了一鋼框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?duì)組合基礎(chǔ)隔震房屋模型和基礎(chǔ)固定房屋模型進(jìn)行一系列振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，并進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行比較和分析。模型和原型采用的相似關(guān)系見表2。試驗(yàn)采用中四個(gè)疊層橡膠支座和二個(gè)滑板摩擦支座作為模型的隔震支座。

試驗(yàn)采用四種地震波型（Hachinohe、EI Centro、Taft、Kobe）對(duì)模型進(jìn)行單向、雙向和三向輸入。組合基礎(chǔ)隔震房屋模型試驗(yàn)輸入加速度幅值為0.26～0.78 g；基礎(chǔ)固定房屋模型試驗(yàn)輸入加速度幅值為0.10～0.25 g。

為得到隔震模型結(jié)構(gòu)的阻尼比、自振頻率、傳遞函數(shù)，試驗(yàn)前先用白噪聲對(duì)模型進(jìn)行掃描。組合基礎(chǔ)隔震試驗(yàn)進(jìn)行了40個(gè)工況，測試內(nèi)容有結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、隔震層及支座力位移、層間位移和柱應(yīng)變反應(yīng)等?；A(chǔ)固定房屋模型做了22個(gè)工況，測試內(nèi)容與隔震系統(tǒng)基本相同。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)隔震支座復(fù)位進(jìn)行了詳細(xì)檢查，支座復(fù)位良好。

模型結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)各樓層x向加速度反應(yīng)幅值曲線如圖1所示，由圖可見Hachinohe波輸入時(shí)相差稍大，并未考慮大應(yīng)變時(shí)支座參數(shù)變化，實(shí)測值比計(jì)算值大，但分析誤差在僅15%左右，El Centro波輸入時(shí)模型上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)試驗(yàn)實(shí)測值和計(jì)算值相差無幾。

組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中，變形主要集中在隔震層，通過滑移摩擦支座滑移耗散地震動(dòng)輸入能量，通過疊層橡膠支座復(fù)位力，保證系統(tǒng)能良好復(fù)位。Hachinohe和El Centro地震波輸入時(shí)x、y方向分析和試驗(yàn)隔震層位移反應(yīng)時(shí)程曲線吻合較好。組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中，滑移摩擦支座力—位移表現(xiàn)出良好的雙向性庫侖摩擦滯回特性。El Centro地震波輸入時(shí)力—位移滯回曲線分析和試驗(yàn)結(jié)果中，疊層橡膠支座滯回曲線相似，而摩擦滑移支座滯回曲線相近。

組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)加大了結(jié)構(gòu)阻尼比，降低加速度幅值，并使模型第一振型頻率降低了。模型層間相對(duì)位移微小，結(jié)構(gòu)上部保持在彈性范圍內(nèi)。組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)將地震輸入能量通過滑移摩擦支座滑移滯回變形耗散，通過隔著層削弱了地震能量向上的傳遞，有效減弱了建筑結(jié)構(gòu)受到的損傷。

4 結(jié) 語

通過結(jié)合工程實(shí)例以及模型分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，全面準(zhǔn)確的分析討論組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)隔震性能，得出以下結(jié)論：

①廣州大學(xué)行政辦公樓工程中科學(xué)合理的運(yùn)用了組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，在遭遇大震時(shí)建筑保持結(jié)構(gòu)性能，并且能控制隔震層水平變形幅度，使其保持在合理范圍內(nèi)。

②經(jīng)研究分析組合基礎(chǔ)隔震房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，疊層橡膠隔震支座和滑移摩擦隔震支座的滯回環(huán)面積，前者面積較小和后者面積較大，分別展現(xiàn)出良好的彈性復(fù)位能力和耗能能力。

③組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)能有效地降低建筑上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，以及變現(xiàn)出良好的自動(dòng)復(fù)位能力和耗能能力，適合隔震設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中的多層房屋及高寬比較?。é隆?）的高層房屋。

④組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)能安不同類型隔震支座的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合在一起，構(gòu)成理想的隔震層，削弱建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確保地震作用仍能正常工作，是一種優(yōu)秀的能滿足實(shí)際工程的隔震方案。

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