豎向地震對摩擦滑移擺隔震性能的影響

朱清泉　陸琨　陶忠　葉鑫

摘要： 為了研究豎向地震對摩擦滑移擺隔震性能的影響，文章以昆明某幼兒園四層鋼框架為依托，采用SAP2000通用有限元軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析，其中地震波采用單向、雙向、三向地震波輸入進(jìn)行罕遇地震隔震分析，分別從結(jié)構(gòu)的頂層加速度、層間位移角、支座位移等方面論述豎向地震作用對摩擦滑移擺隔震性能的影響。分析結(jié)果表明摩擦滑移擺隔震結(jié)構(gòu)對豎向地震有一定的隔震效果，豎向地震對支座的水平位移影響很大，對支座的豎向位移影響較大。

Abstract： In order to study the effect of vertical earthquake on the friction pendulum isolation performance， this paper takes Kunming a kindergarten four storey steel frame as the basis， uses SAP2000 finite element software for elastic-plastic time history analysis of the structure， applies the one-way and two-way， three-way seismic wave input for the seismic isolation analysis of rare earthquake， respectively. The effects of vertical seismic action on the seismic isolation performance of the frictional sliding pendulum are discussed respectively from the top acceleration of the structure， the displacement angle of the interlayer and the displacement of the bearing. The analysis results show that the friction sliding pendulum isolation structure has certain isolation effect on vertical earthquake， also the vertical earthquake has a great influence on the horizontal displacement of the support and has great influence on the vertical displacement of the support.

關(guān)鍵詞： 摩擦滑移擺；彈塑性時程分析；豎向地震；隔震性能

Key words： frictional slip pendulum；elastic-plastic time history analysis；vertical seismic；isolation performance

中圖分類號：TU352.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0093-04

0 引言

摩擦滑移擺隔震支座在平面滑移隔震裝置中除了具有對地震激勵頻率范圍低敏感性和高穩(wěn)定性等特性外，其特有的圓弧滑動面使其具有自復(fù)位功能，無需設(shè)置阻尼向心機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中更為簡便[1]。該支座具有豎向承載能力強(qiáng)、 抗扭轉(zhuǎn)性能好、 耐久性強(qiáng)、阻尼耗能特性好等優(yōu)點(diǎn)，但是該支座具有在軸向上不抗拉的特性。我國現(xiàn)行的抗震規(guī)范規(guī)定進(jìn)行抗震分析的時候一般都只考慮單向或雙向地震作用，而在實(shí)際情況下，當(dāng)?shù)卣饎虞斎氲浇Y(jié)構(gòu)中時都會包含水平地震作用和豎向地震作用，因此摩擦滑移擺軸向不抗拉的性能是否對結(jié)構(gòu)抗震能力造成不利的影響。本文將從結(jié)構(gòu)的頂層加速度、層間位移角、支座位移等方面論述豎向地震作用對摩擦滑移擺隔震性能的影響。

1 工程概況

本工程位于昆明市五華區(qū)黑林鋪，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅱ類場地。該建筑建為三層鋼架結(jié)構(gòu)，該工程等效寬度 25.7m， 建筑高度 18.7m， 高寬比為 0.73， 屬于重點(diǎn)設(shè)防類。該工程的SAP2000模型如圖1所示。

2 模型驗(yàn)證

為了校核所建立SAP2000模型的準(zhǔn)確性，將SAP2000和SATWE非隔震模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和層間剪力（振型分解反應(yīng)譜法）進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。表中差值為：（SAP2000-SATWE/SATWE）·100%。

從表1可以看出SAP2000模型與SATWE模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期和層間剪力差異都很小。因此用于本工程隔震分析計(jì)算的SAP2000模型與SATWE模型是一致的。

3 隔震支座布置與地震動選取

3.1 支座布置

本工程的隔震層在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間，在每一顆柱的柱底都布置隔震支座，一共布置41個隔震支座，根據(jù)計(jì)算出的豎向承載力的要求分別布置兩種不同的隔震支座。

3.2 地震動選取

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，以下簡稱《抗規(guī)》）5.1.2條規(guī)定：采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時程分析時，每條時程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果80%。endprint

本工程選取了實(shí)際2條強(qiáng)震記錄和1條人工模擬加速度時程，3條時程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖2所示，基底剪力對比結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及結(jié)果對比

4.1 頂層加速度對比

為研究豎向地震動對結(jié)構(gòu)頂層加速度的影響，選取非隔震結(jié)構(gòu)的第四層作為研究對象。根據(jù)提出的數(shù)據(jù)得到，第四層在罕遇地震工況下的LWD地震波輸入時有最大的節(jié)點(diǎn)加速度，然后提出第四層在LWD地震工況下所有節(jié)點(diǎn)隨時間變化的加速度，求出每一時刻的頂層加速度平均值，用來表示結(jié)構(gòu)在該工況下的頂層加速度。單向、雙向、三向地震波輸入的頂層加速度對比如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3、圖4和圖5可以看出三向地震波輸入與單向和雙向地震波輸入相比，頂層加速度變化曲線基本一致，其中三向地震波輸入的非隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值為6.06m/s2，隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值為2.40m/s2，頂層加速度峰值降低了60.35%；雙向地震波輸入的非隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值為6.05m/s2，隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值為2.33m/s2，頂層加速度峰值降低了61.44%；單向地震波輸入的非隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值為5.56m/s2，隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值為2.53m/s2，頂層加速度峰值降低了54.58%。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)可以看出，三向地震波輸入與雙向地震波輸入的頂層加速度對比差別很小，但與單向地震波輸入比較，三向地震波輸入比單向地震波輸入的非隔震頂層加速度峰值更大，而頂層加速度降低率也比單向地震波輸入的情況下大，因此在隔震設(shè)計(jì)與分析的時候，有必要考慮豎向地震波，而且摩擦滑移擺隔震結(jié)構(gòu)從水平向頂層加速度峰值來看對豎向地震有一定的隔震效果。

4.2 結(jié)構(gòu)層間位移角對比

為了對單向、雙向、三向地震波輸入的結(jié)構(gòu)進(jìn)行層間位移角對比，分別取每一樓層三條地震波X向和Y向的層間位移角平均值作為該樓層的層間位移角，結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6、如7可以看出三種地震波輸入方式對層間位移角的影響很小，但是就隔震結(jié)構(gòu)單向地震波輸入與三向地震波輸入相比，三向地震波輸入下隔震層以上樓層的層間位移更小，因此摩擦滑移擺隔震結(jié)構(gòu)對豎向地震有一定的隔震效果。

4.3 支座位移對比

4.3.1 支座水平位移對比

提出罕遇地震下三種地震波輸入模型的支座水平位移如圖8所示。

從圖8可以看出支座的水平位移在單向地震波輸入下最小，雙向地震波輸入下最大，三向地震波輸入下比較接近雙向地震波輸入的情況，但是比單向地震波輸入模型的水平位移大很多，其中單向地震波輸入下模型的最大水平位移為86.0mm，雙向地震波輸入下模型的最大水平位移為98.3mm，三向地震波輸入下模型的最大水平位移為95.7mm，因此豎向地震對支座的水平位移影響很大。

4.3.2 支座豎向位移

提出罕遇地震下三種地震波輸入模型的支座豎向位移如圖9所示。

從圖9可以看出三向地震波輸入下支座的豎向位移最大，單向地震波輸入下支座的豎向位移最小，其中最大值為-2.7mm，最小值為-2.2mm?？梢娯Q向地震對支座的豎向位移影響較大。

5 結(jié)論

綜上所述，豎向地震對摩擦滑移擺隔震性能有一定的影響，得到的結(jié)論如下：①由于三向地震波輸入與單向地震波輸入比較，三向地震波輸入比單向地震波輸入的非隔震頂層加速度峰值更大，而頂層加速度降低率也比單向地震波輸入的情況下大，因此在隔震設(shè)計(jì)與分析的時候，有必要考慮豎向地震波，而且摩擦滑移擺隔震結(jié)構(gòu)從水平向頂層加速度峰值來看對豎向地震有一定的隔震效果。②由于隔震結(jié)構(gòu)單向地震波輸入與三向地震波輸入相比，三向地震波輸入下隔震層以上樓層的層間位移更小，因此摩擦滑移擺隔震結(jié)構(gòu)對豎向地震有一定的隔震效果。③豎向地震對支座的水平位移影響很大，對支座的豎向位移影響較大。

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