復摩擦擺支座在古建筑中的隔震分析

潘忠煒

中國建筑第八工程局有限公司設計管理總院

1 引言

摩擦擺支座是利用滑動面的設計來延長隔震結構的振動周期，以避開場地的卓越周期，同時滑動面與滑塊之間的摩擦耗散部分地震能量，最終實現大幅減低輸入主體結構地震能量的目的，其特有的圓弧滑動面具有自動復位功能。蔡崇興[1]等人對摩擦擺進行了改進，把摩擦擺的上擺改成滑動球面，形成復摩擦擺；鄧雪松[2]等人對復（雙凹）摩擦擺支座進行了理論分析和數值模擬，得出了最大殘余位移公式。北京萬國城各樓間連廊上安置了我國首例美國FPB 摩擦擺拉壓支座，還有一些橋梁項目應用了摩擦擺支座[3]。

2 工程實例分析

2.1 工程背景概況

某歷史保護建筑——某大殿承重結構為抬梁式木構架，木構架采用云杉木材，大殿的墻體是采用黏土青磚砌成。該地區抗震設防烈度為7°，設計基本地震加速度峰值為0.1g，場地類別為IV，抗震設計分組為第一組，場地特征周期為0.9s[4-5]。

2.2 建立數值模型

隔震設計時，在大殿底部設置一個由鋼筋混凝土梁組成的托盤，將大殿整體拖起，在托盤與基礎之間安裝隔震支座等隔震裝置。采用SAP2000 建立大殿的數值模型，通過釋放梁端轉動剛度來模擬榫卯連接；用縫單元連接墻和木柱來模擬墻與柱之間的相互作用。

2.3 隔震層的布置

圖1 復摩擦擺支座布置圖

本工程采用復摩擦擺支座共20個，其平面布置如圖1所示。

在數值模型中，復摩擦擺支座用SAP2000 自帶的摩擦擺支座連接單元（Friction Isolator）來模擬，其中連接單元半徑取上下曲率半徑之和。

2.4 地震動的輸入

選取第IV類場地一條人工波和兩條天然波，分別為上海人工波3、TRI和天津波。地震波反應譜曲線與規范反應譜曲線對比如圖2所示。多遇地震作用下非隔震結構彈性時程計算與振型分解反應譜計算的結構底部剪力的比值如表1所示。

圖2 地震波反應譜曲線與規范反應譜曲線對比

表1 多遇地震作用下非隔震結構的底部剪力

由以上可知，所選取的地震波滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2001）5.1.2條規定。

2.5 分析工況

復摩擦擺支座的屈服位移Dy取2mm，設計位移Dd取150mm，最大動摩擦系數和最小動摩擦系數取相等。對復摩擦擺支座曲率半徑R分別為1m、3m 的隔震結構進行多遇、設防和罕遇地震作用下的彈性時程分析，與非隔震結構時程分析結果對比，研究復摩擦擺支座曲率半徑對木結構古建筑隔震結構地震響應的影響；對復摩擦擺支座摩擦系數μ 分別為0.03、0.11 的隔震結構進行多遇、設防和罕遇地震作用下的彈性時程分析，與非隔震結構時程分析結果對比，研究復摩擦擺支座摩擦系數對木結構古建筑隔震結構地震響應的影響。從而得到適合本工程的最優化復摩擦擺設計參數。

2.6 時程分析結果及討論

各種工況時程分析結果取三條地震波時程計算結果的包絡值，見圖3～圖6（放大倍數=隔震結構時程計算結果/非隔震結構時程計算結果）。

圖3 設防地震下柱底剪力和相對位移的放大倍數隨曲率半徑增加的變化趨勢圖

圖4 設防地震下柱底剪力和相對位移的放大倍數隨摩擦系數增加的變化趨勢圖

圖5 罕遇地震下支座最大水平位移隨曲率半徑增加的變化趨勢圖

圖6 罕遇地震下支座最大水平位移隨摩擦系數增加的變化趨勢圖

（1）由圖3可知，在設防地震作用下，當支座的摩擦系數相同時，隔震結構的柱底剪力和整體相對位移隨著支座曲率半徑的增大而減小。由圖4可知，在設防地震作用下，當支座的曲率半徑相同時，隔震結構的柱底剪力和整體相對位移隨著支座摩擦系數的增大而增大。對比圖3與圖4可知，支座曲率半徑對隔震結構的柱底剪力和整體相對位移的影響較?。恢ёΣ料禂祵Ω粽鸾Y構的柱底剪力和整體相對位移的影響較大。即隔震效果對支座摩擦系數的改變更為敏感。

（2）由圖5可知，在罕遇地震作用下，當支座的摩擦系數相同時，支座的最大水平位移隨著支座曲率半徑的增加而增加。由圖6可知，在罕遇地震作用下，當支座的曲率半徑相同時，支座的最大水平位移隨著支座摩擦系數的增加而降低。對比圖5與圖6可知，支座的曲率半徑對支座的最大水平位移影響較??；支座的摩擦系數對支座的最大水平位移影響較大。

綜合考慮，當R=1m，μ=0.03 時，隔震效果較好，且支座最大殘余位移較小，隔震層復位能力較好。罕遇地震作用下，復摩擦擺支座滯回曲線如圖7所示。

圖7 R=1m，μ=0.03上海人工波罕遇地震下復摩擦擺支座的滯回曲線

由上圖可知，當R=1m，μ=0.03 時，在上海人工波3 罕遇地震作用下，復摩擦擺隔震支座的滯回曲線比較飽滿，有較好的耗能能力。

3 結論

本文對復摩擦擺支座在木結構古建筑上的應用進行了研究，可得出以下結論。

（1）復摩擦擺支座的摩擦系數對柱底剪力、整體相對位移和支座最大水平位移的影響較大；復摩擦擺支座的曲率半徑對柱底剪力、整體相對位移和支座最大水平位移的影響較小。隔震結構的隔震效果對支座的摩擦系數較為敏感，摩擦系數越小，隔震效果越好，支座的曲率半徑的越大，隔震效果越好。

（2）當復摩擦擺支座應用于本工程的木結構古建筑隔震時，選擇摩擦系數較小且曲率半徑較大的支座產品，會取得較好的隔震效果，但綜合考慮隔震層最大水平位移及回復能力，選擇摩擦系數小且曲率半徑中等的復摩擦擺隔震支座為宜。