一種摩擦滑移組合隔震系統力學性能及應用分析

李 ,*

(1.同濟大學結構工程與防災研究所,上海 200092; 2.同濟大學建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

采用隔震技術對既有建筑進行加固,拓寬了結構抗震加固的思路和方法,尤其適用于歷史建筑、醫院、博物館等建筑結構改造和提升性能,已有較多成功案例[1-3]?；聘粽鹁哂袦p震效果好、構造簡單等優點,對其開展的研究較早,但由于震后隔震層位移偏大,且不具備自動復位的能力,曾一度限制了其應用發展[4]。進一步的研究表明,摩擦滑移隔震對地震動頻譜特性不敏感[5],隔震層滑動后剛度極小,特別適合用于軟土場地結構隔震[6],且當隔震結構在發生超出預期的位移時,可與限位裝置軟碰撞[7],或直接引入耗能裝置[8],從而降低滑移隔震系統的過大位移。

本文設計一種摩擦滑移組合隔震系統,即將少量厚層橡膠隔震支座與黏滯阻尼器引入摩擦滑移隔震系統,在保持減震效果的前提下,限制隔震層的不利位移及減小隔震系統的震后殘余變形。對摩擦滑移組合隔震系統的力學特性進行了分析,提出了此類隔震結構的多水準結構等效自振周期概念及計算方法。將此隔震系統應用在某軟土地基場地的木結構歷史建筑上,驗證該組合隔震系統的有效性,對于類似的工程隔震技術應用具有一定的參考價值。

1 摩擦滑移組合隔震系統力學性能分析

1.1 隔震系統組成

該摩擦滑移組合隔震系統組成包括:①彈性滑板支座為主要組成部分,承擔上部結構豎向荷載,同時為上部結構提供良好的水平向減震效果;②少量的厚層橡膠支座可減小結構扭轉、隔震系統的震后殘余變形;③黏滯阻尼器可限制整個隔震系統在罕遇地震下的不利水平位移;④其他必要的隔震構造措施,如隔震溝、柔性管道連接等。

1.2 彈性滑板支座

彈性滑板支座由橡膠支座主體和滑動面構成(圖1)。支座的水平性能如圖2(a)所示,在支座滑移前,滑板支座處于彈性狀態,水平剛度等于橡膠支座部分水平剛度。當支座滑動后,由摩擦界面動摩擦力決定,水平剛度則幾乎為零,并且滑移后支座可以通過摩擦力做功達到耗能的作用。同時,該支座在豎向有相當的承載能力和一定的變形能力,通過合理的參數選擇,可以很好地滿足既有結構改造中豎向荷載變形協調要求。

圖1 彈性滑板支座剖面示意圖Fig.1 Cross-section diagram of elastic sliding bearing

理論上,采用彈性滑板支座進行隔震的結構,一旦支座起滑后,隔震層動剛度即趨于零,結構的自振周期有無限增大的趨勢,可有效限制地震作用向上部結構的傳遞。從工程分析角度,則可取任一滑動位移處的割線剛度作為其等效水平剛度。隨著地震波峰值的增大,采用彈性滑板支座的滑移隔震結構,其隔震層位移將不斷增大,支座等效剛度隨之降低(圖2(a)),隔震結構周期延長,從而減少上部結構地震作用。因此,可引入多水準隔震結構等效自振周期的概念,即考慮不同水準地震作用下滑板支座不同的水平等效剛度,分別計算結構自振周期,以期更準確地反映此類隔震結構在多水準地震作用下的結構動力特性隨作用變化的特點,由此更合理地預估隔震效果及隔震層位移等。

圖2 摩擦滑移組合隔震系統各組成部分水平力學性能Fig.2 Horizontal mechanical properties of each component of CFIS

1.3 厚層橡膠隔震支座

厚層橡膠隔震支座與常規橡膠隔震支座構造上類似,但其單片橡膠層厚度較后者大得多(圖3)。因此,其豎向和水平剛度較小,能適應更大的豎向和水平變形。支座水平向本構如圖2(b)所示。

圖3 厚層橡膠隔震支座剖面示意圖Fig.3 Cross-section diagram of TLNR

如前所述,摩擦滑移隔震方案存在震后隔震層殘余變形大的缺點[4,9],在隔震系統中引入少量總高度較高的厚層橡膠隔震支座或低承壓橡膠支座,可以克服這一不足。將厚層橡膠支座布置于隔震層外圍,可減小摩擦滑移隔震結構扭轉效應,以及隔震層的殘余變形。

1.4 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器(圖4)是一種速度相關型阻尼器,理論上不提供靜剛度,因此不會影響附加阻尼器后的結構周期。在簡諧振動激勵下,黏滯阻尼器滯回曲線如圖1(c)所示。其阻尼力可按式(1)計算:

F=C·vb

(1)

式中:C為阻尼系數;v為運動速度;b為速度指數(0≤b≤1)。

圖4 黏滯阻尼器剖面示意圖Fig.4 Cross-section diagram of viscous damper

將黏滯阻尼器布置于隔震層中,通過阻尼力消耗地震能力,為隔震層提供附加阻尼比,可減小隔震層罕遇地震下的不利變形。

1.5 摩擦滑移組合隔震系統整體力學性能

摩擦滑移組合隔震系統的(水平向)整體力學性能,即是彈性滑板支座、厚層橡膠支座、黏滯阻尼器的各自力學性能按一定比例組合后的結果,如圖5所示。在計算隔震結構等效自振周期時,建議采用各水準等效剛度,并且只計入滑板支座和厚層橡膠支座的剛度貢獻,而不考慮黏滯阻尼器的動剛度影響。此隔震系統在支座滑移后,隔震系統的整體等效水平剛度大大降低,并且具有飽滿的滯回曲線,將為上部結構提供良好的隔震效果,下文將結合具體工程案例進行驗證分析。

圖5 組合摩擦滑移隔震系統整體水平向本構示意Fig.5 Horizontal mechanical properties of CFIS

2 摩擦滑移組合隔震系統應用分析

2.1 工程概況及隔震目標

某木結構古建筑為重檐歇山式單層建筑(圖6),距今已有近百年歷史。建筑面闊24 m,進深18.34 m,屋脊高約18 m。主體結構采用傳統的抬梁式木結構體系,抗震設防烈度7度,建筑場地類別為Ⅳ類,場地特征周期為0.9 s。擬采用隔震加固方式適度提高該木結構的抗震性能,并提出以下隔震性能目標:①設防地震下,隔震后上部結構水平向地震作用比非隔震時降低半度;②罕遇地震下,隔震層最大位移不大于300 mm。

圖6 木結構古建筑立面圖Fig.6 Elevation view of ancient timber building

2.2 隔震方案設計

由于該古建筑具有長周期柔性結構特性,且場地條件為軟土地基,若采用常規的橡膠隔震支座方案,則要求隔震層剛度相對較小,橡膠支座選型和布置的確定存在較大問題,且在強震作用下隔震層將發生較大的水平及豎向變位,會導致隔震支座的失穩或強度破壞。采用本文所述的摩擦滑移組合隔震方案,則可以有效解決上述問題,具有較好的隔震效果。摩擦滑移組合隔震系統平面布置見圖7。根據支座面壓條件,彈性滑板支座選用SLB350、SLB450兩種規格;厚層橡膠支座及黏滯阻尼器均布置于隔震層外圍,旨在抑制隔震結構大震下的過大水平位移、減小隔震結構扭轉反應,以及降低隔震層震后殘余變形。隔震系統性能參數見表1-表3。

圖7 隔震層平面布置圖Fig.7 Plan view of isolation layer

表1 彈性滑板支座參數表Table 1 Specification of elastic sliding bearings

表2 厚層橡膠支座參數表Table 2 Specification of TLRs

表3 黏滯阻尼器性能參數表Table 3 Specification of viscous dampers

2.3 結構動力特性與隔震效果分析

采用有限元分析軟件SAP2000建立了此木結構古建隔震前后的數值模型。模型中,木材容重取4 kN/m3,彈性模量鑒于建筑年代久遠,折減后取7 200 MPa。彈性滑板支座采用Friction Isolator單元(曲率半徑足夠大)。厚層橡膠支座和黏滯阻尼器分別采用Rubber Isolator單元、Damper-Exponential單元模擬。上部結構為傳統榫卯斗拱木結構,總重力荷載代表值約為3 100 kN。木柱柱腳假定為鉸接,榫卯連接剛度則設定為10%剛接剛度。

對模型進行了模態分析、基于直接積分法的時程分析,進而對比結構隔震前后的地震反應。地震波選用現行《上海市建筑抗震設計規程》附錄A列出的地震波(設防地震工況選用地震波SHW1～SHW7,罕遇地震工況選用地震波SHW8～SHW14)。需要說明的是,在時程分析中僅考慮隔震支座及黏滯阻尼器非線性特性,上部木結構及隔震層上部鋼筋混凝土轉換層考慮為彈性。

模態分析的結果表明,隔震前后結構一階振型、二階振型均為水平向平動,三階振型均為扭轉。隔震前后結構周期對比見表4,其中對隔震后結構采用了多水準結構等效自振周期的計算結果。由于彈性滑板支座的等效剛度隨位移變化,隔震后的大雄寶殿在不同水準地震動下結構自振周期也隨之變化,具有變周期隔震結構的特征,且結構變形集中在隔震層。

表4 非隔震結構和隔震結構周期Table 4 Natural periods of structure with/>without isolation layers

表5列出了隔震前后結構剪重比、層間位移角的結果。設防地震下,水平向減震系數為0.52,隔震加固后的結構地震作用較隔震前降低半度,且隔震系統對上部結構變形的減震效果優于地震剪力,隔震后的上部結構層間變形僅為隔震前的40%。罕遇地震工況,隨著地震水準的提升,隔震系統發揮的減震效果愈佳,并較好控制了隔震層的不利變形,隔震層最大水平位移為238 mm,滿足隔震目標性能要求。

表5 非隔震結構和隔震結構地震反應對比Table 5 Comparison of seismic responses of structure with/without isolation layers

2.4 摩擦滑移組合隔震系統性能分析

為分別探討彈性滑板支座、厚層橡膠支座、黏滯阻尼器在摩擦滑移組合隔震結構中的隔震功能,在2.2節摩擦滑移組合隔震結構的基礎上,補充分析兩種摩擦滑移隔震結構,三種隔震結構在隔震系統方面的對比如表6所示。

表6 三種摩擦滑移隔震結構對比Table 6 Comparison of 3 isolated structures 個

2.4.1彈性滑板支座性能分析

圖8為模型一中某SLB450型號滑板支座在設防地震、罕遇地震下的滯回曲線,可以看出滑板支座具有穩定的滯回性能,為隔震系統提供了良好的耗能能力,且隨著地震水準的提升,滑板支座摩擦消耗的地震能量越多。

2.4.2厚層橡膠支座性能分析

由模型二、模型三時程分析結果(表7)對比可知,相對純摩擦滑移隔震結構,附加厚層橡膠支座對隔震系統的減震效果影響不大,但卻可以大大減小隔震層的震后殘余變形,也很大程度上抑制了罕遇地震下隔震層的最大位移。

2.4.3黏滯阻尼器性能分析

與模型二、模型三相比,模型一中由于增設了黏滯阻尼器,罕遇地震下隔震層最大位移從401～636 mm降至228 mm,效果顯著(表7)。由三種摩擦滑移隔震結構在罕遇地震工況下的能量時程分析結果(圖9),模型一中隔震系統耗散的能量占地震輸入能量的79.89%,其中彈性滑板支座和黏滯阻尼器耗能分別占29.7%和50.2%。在模型二、模型三中,隔震層只有滑板支座摩擦耗能,其耗能占比分別為62.0%、64.8%?？梢?在摩擦滑移隔震組合系統中,黏滯阻尼器可起到顯著降低大震下隔震層不利位移的作用,并且豐富了隔震層耗能途徑,提升了隔震結構的耗能能力。

圖8 SLB450型彈性滑板支座滯回曲線Fig.8 Hysteretic curves of elastic sliding bearing SLB450

表7 不同類型的摩擦滑移隔震結構地震響應Table 7 Seismic responses of three friction-sliding isolated structures

圖9 三種摩擦滑移隔震結構大震下耗能示意圖Fig.9 Energy dissipation of three friction-sliding isolated structures

3 結 論

本文在以彈性滑板支座為主的摩擦滑移隔震系統中,引入少量厚層橡膠支座、黏滯阻尼器,設計一種新型摩擦滑移組合隔震系統。將該隔震系統應用在某軟土地基場地條件下木結構古建筑的隔震加固設計中,得出以下結論:

(1) 結合摩擦滑移組合隔震系統力學特性,提出并分析了該隔震結構多水準隔震結構等效自振周期。

(2) 隔震后上部木結構的水平地震作用比隔震前降低半度,罕遇地震隔震層最大位移238 mm,滿足隔震性能目標,驗證了該隔震系統對軟土地基長周期結構隔震設計的適用性。

(3) 與純摩擦滑移隔震系統對比分析,摩擦滑移組合隔震系統中附加的少量厚層橡膠支座可以降低隔震層震后殘余變形達66.8%。

(4) 黏滯阻尼器豐富了摩擦滑移組合隔震系統的耗能途徑,改善了隔震結構耗能分布,較純摩擦滑移隔震系統,罕遇地震下隔震層最大位移降低了64.2%。

致謝 感謝同濟大學呂西林教授和翁大根教授,上海建筑設計研究院有限公司李亞明、李偉,以及上海材料研究所的丁孫瑋、上海天演建筑物移位技術有限公司藍戊己等,在項目合作過程中提供技術支持和指導。

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