不同限位剛度下新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

張 超，張 慧，侯 偉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

滑移隔震是一種新型的減隔震控制技術(shù)，具有安全、合理、有效而且經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1]，采用“以柔克剛”的設(shè)計(jì)理念，通過在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置滑移隔震層，阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，使上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯減小[2]。

學(xué)者針對純摩擦滑移隔震體系存在滑移量過大且震后不能自動復(fù)位的缺點(diǎn)，開發(fā)了帶有限位裝置的滑移隔震體系。韋俊等采用有限元軟件建立了一種新型具有限位裝置的滑移隔震三層框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，并根據(jù)合理的碰撞前后滯回特性，進(jìn)行了單向和雙向地震波作用下的隔震結(jié)構(gòu)分析[3]。張延年等研究雙向耦合地震作用的影響，建立滑移隔震結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，使用直接搜索算法和遺傳算法相結(jié)合的改進(jìn)混合遺傳算法對6層滑移隔震結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。韓淼等對基礎(chǔ)隔震模型進(jìn)行了軟碰撞限位振動臺模擬地震動試驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了預(yù)留距離與軟碰撞限位器剛度對結(jié)構(gòu)層與隔震層位移反應(yīng)的影響規(guī)律，根據(jù)結(jié)構(gòu)層與隔震層位移反應(yīng)均控制在允許范圍內(nèi)的條件，優(yōu)選出適用于本隔震試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷能浥鲎蚕尬黄髟囼?yàn)工況[5]。劉臣等將橡膠與鉛芯合理組合形成一種新型的限位裝置，利用Matlab/Simulink建立新型限位裝置的仿真模型，通過數(shù)值模擬，確定帶限位裝置的隔震體系的自滑區(qū)長度，分析限位橡膠彈性剛度、剛度比及隔震層摩擦系數(shù)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響[6]。

綜合上述研究成果，滑移隔震結(jié)構(gòu)基底滑移量與隔震層限位剛度有著緊密的關(guān)系。本文將二硫化鉬(MoS2)涂層材料作為摩擦材料，以U型帶片作為限位消能元件，組成新型摩擦滑移隔震裝置，并將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中，形成新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)。采用SAP2000有限元分析軟件，研究新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層限位剛度與基底滑移量、上部結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)的關(guān)系。

1 新型摩擦滑移隔震裝置的組成

新型摩擦滑移隔震裝置主要由滑移支承元件和限位消能元件組成?；浦С性饕鸶綦x地震的作用和支承上部結(jié)構(gòu)重量的作用，由上、下剛性支承板及中間用低摩擦系數(shù)材料組成。該摩擦材料成分主要是二硫化鉬(MoS2)[7]，西安建筑科技大學(xué)等單位對二硫化鉬的摩擦性能進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：該種摩擦材料的摩擦系數(shù)最終穩(wěn)定在0.04～0.05[8]，本文將有關(guān)摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.05。限位消能元件主要是吸收地震能量，減小地震波中長周期成分給滑移隔震結(jié)構(gòu)帶來的變位，并對控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)滑移有一定的作用，它由普通A3鋼板冷彎而成的U型鋼片做成。新型摩擦滑移隔震裝置構(gòu)造如圖1所示。

圖1 新型摩擦滑移隔震裝置(d為自滑區(qū)長度)

2 工程模型介紹

本文的計(jì)算模型為一棟5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，首層層高為4.2 m，其余樓層層高為3.6 m。X方向2跨，軸間距為6 m；Y方向2跨，軸間距為6 m；抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15 g，地震分組為第一組，場地屬Ⅱ類場地，場地特征周期為0.35s；上部結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。所有構(gòu)件采用C30混凝土。底層柱截面750 mm×750 mm，其余各層柱截面為600 mm×600 mm，主梁截面為300 mm×600 mm，次梁截面為200 mm×400 mm，基礎(chǔ)框架梁截面全部取為300 mm×600 mm。樓板厚度為100 mm，屋面板厚度為120 mm。樓面恒荷載為5 kN/m2，活荷載為2 kN/m2；屋面恒荷載為7 kN/m2，不上人屋面活荷載為0.5 kN/m2；樓面外圍梁上作用填充墻荷載10 kN/m，屋面外圍梁上作用女兒墻荷載4 kN/m。

選取本文中所述的滑移支承元件和限位消能元件，滑移支承元件布置在每個底層框架柱下部與基礎(chǔ)頂部之間，限位消能元件沿著結(jié)構(gòu)的X向和Y向布置在上下基礎(chǔ)梁之間。在X軸和Y軸方向沿著基礎(chǔ)梁下端布置軟鋼U型帶片?；聘粽鸾Y(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)平面及隔震元件布置圖

3 有限元模型建立

在SAP2000有限元分析軟件中，采用Friction Isolator連接單元來模擬滑移隔震裝置的滑移支承元件，沿隔震層的上下兩層基礎(chǔ)梁，在每個框架柱下端均勻地布置一組Friction Isolator連接單元。對于新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)，SAP2000提供的多段線性塑性連接單元無法真實(shí)地模擬新型摩擦滑移隔震裝置的限位消能元件。因此本文在多段線性塑性連接單元的基礎(chǔ)上，對限位器的骨架曲線進(jìn)行修改。新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)模型在柱底基礎(chǔ)周圍預(yù)留一定長度的自滑區(qū)，所以在骨架曲線的開始段采用一段水平剛度近似為零的直線對其進(jìn)行模擬[9-10]。

4 限位器的加設(shè)情況說明

建立相應(yīng)的未加設(shè)限位器及加設(shè)限位器的滑移隔震模型，具體限位器的加設(shè)情況見表1。隔震層限位剛度的計(jì)算方法見文獻(xiàn)[8]。

當(dāng)結(jié)構(gòu)布置多個不同方向的U型帶片時，通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到了隔震層的骨架曲線參數(shù)。

K1=K(n1+an2)

(1)

K2=0.15K1

(2)

式中：K1為隔震層屈服前剛度；K2為隔震層屈服后剛度；K為單個限位器的彈性剛度；n1為沿受力方向的限位器個數(shù)；n2為沿垂直于受力方向的限位器個數(shù)；a為側(cè)向限位器對剛度的影響系數(shù)，取0.6。

表1 限位器加設(shè)情況

5 工況分析

本文模型選擇兩種地震波，分別為天津波、EL-Centro波。天津波持時為19.2 s，記錄步長0.01 s。EL-Centro波持時為30 s，記錄步長0.02 s。針對本文的工程實(shí)例結(jié)構(gòu)，根據(jù)自滑區(qū)長度應(yīng)滿足的條件[8]，通過有限元分析，在天津波、EL-Centro波作用下，自滑區(qū)長度d取為140 mm。

分別在天津波、EL-Centro波作用下將加速度峰值調(diào)整到150gal、310gal，確定摩擦系數(shù)為0.05，建立新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用SAP2000進(jìn)行有限元分析，研究在不同隔震層限位剛度下基底滑移量及上部結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的變化規(guī)律。

5.1 限位剛度對基底滑移量的影響

圖3為天津波和EL Centro波作用下新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)基底最大滑移量隨隔震層限位剛度的變化圖。從圖3可知，在天津波基本烈度和罕遇烈度作用下，隔震結(jié)構(gòu)基底最大滑移量變化趨勢基本相似，整個隔震層限位剛度變化范圍內(nèi)基底最大滑移量變化幅度不大。在EL Centro波基本烈度和罕遇烈度作用下，當(dāng)隔震層限位剛度小于11 030 kN/m時(即每根基礎(chǔ)梁下三個限位器)，隔震層限位剛度的變化對基底最大滑移量影響很大，隨著隔震層限位剛度的增加，基底最大滑移量減小明顯。

圖3 基底最大滑移量隨隔震層限位剛度的變化

5.2 限位剛度對基底剪力的影響

圖4為天津波和EL Centro波作用下新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)基底剪力隨隔震層限位剛度的變化圖。從圖4可知，在天津波基本烈度和罕遇烈度作用下，隔震結(jié)構(gòu)基底剪力隨隔震層限位剛度增加而增大。在隔震層限位剛度為7 354 kN/m時(即每根基礎(chǔ)梁下二個限位器)，基底剪力隨隔震層限位剛度的變化趨勢發(fā)生突變。在隔震層限位剛度小于7 354 kN/m時，變化趨勢平緩；在隔震層限位剛度大于7 354 kN/m時，變化趨勢陡增。在EL Centro波基本烈度作用下，隔震結(jié)構(gòu)基底剪力隨隔震層限位剛度的增加而增大。但在EL Centro波罕遇烈度作用下，在隔震層限位剛度為7 354 kN/m時(即每根基礎(chǔ)梁下二個限位器)，基底剪力的基本趨勢有所變化。隔震層限位剛度小于7 354 kN/m時，基底剪力呈遞增趨勢；隔震層限位剛度增大到7 354 kN/m以后，基底剪力呈現(xiàn)局部波動的現(xiàn)象，出現(xiàn)時大時小的情況。

圖4 基底剪力隨隔震層限位剛度的變化

5.3 限位剛度對結(jié)構(gòu)絕對加速度的影響

圖5為天津波和EL Centro波作用下新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)最大加速度隨隔震層限位剛度的變化圖。從圖5可知，在天津波基本烈度和罕遇烈度作用下，隨著隔震層限位剛度增加，隔震結(jié)構(gòu)三個代表層(隔震層、底層、頂層)的加速度呈現(xiàn)增大的趨勢。在EL Centro波基本烈度作用下，隔震結(jié)構(gòu)三個代表層的加速度基本上隨隔震層限位剛度的增大而增大；在隔震層限位剛度為11 030 kN/m時(即每根基礎(chǔ)梁下三個限位器)，頂層加速度增加趨勢發(fā)生突變。在EL Centro波罕遇烈度作用下，隔震層加速度隨隔震層限位剛度增加而增加；頂層和底層加速度的變化趨勢接近，可總結(jié)為“增大、減小、增大”，存在兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別為7 354 kN/m(即每根基礎(chǔ)梁下兩個限位器)、11 030 kN/m(即每根基礎(chǔ)梁下三個限位器)。

綜上所述，新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力、三個代表層(隔震層、底層、頂層)的加速度基本上隨隔震層限位剛度增加而增大。與此同時，滑移隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果在減小。但結(jié)構(gòu)三個代表層的加速度、基底剪力在某些隔震層限位剛度區(qū)段內(nèi)呈現(xiàn)局部波動的現(xiàn)象，出現(xiàn)時大時小的情況。

6 結(jié) 語

本文采用SAP2000有限元分析軟件，研究了新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)在不同隔震層限位剛度下基底滑移量及上部結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)(基底剪力、結(jié)構(gòu)絕對加速度)的變化規(guī)律。得出以下結(jié)論：

(1)在天津波和EL Centro波作用下，隨著新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層限位剛度的不斷增加，基底滑移量衰減比較明顯，而后趨于平緩。

(2)在天津波和EL Centro波作用下，新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)基底剪力基本上隨隔震層限位剛度增加而增大。但在EL Centro波罕遇烈度作用下，隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力出現(xiàn)了時大時小的現(xiàn)象。

(3)在天津波和EL Centro波作用下，隨著新型摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層限位剛度的不斷增加，結(jié)構(gòu)三個代表層的加速度基本上呈現(xiàn)遞增趨勢。但在EL Centro波作用下，在某些隔震層限位剛度區(qū)段內(nèi)，結(jié)構(gòu)代表層的加速度呈現(xiàn)局部波動的現(xiàn)象。