復(fù)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(shè)計管理總院

1 引言

摩擦擺支座是利用滑動面的設(shè)計來延長隔震結(jié)構(gòu)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(xiàn)大幅減低輸入主體結(jié)構(gòu)地震能量的目的，其特有的圓弧滑動面具有自動復(fù)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(fù)摩擦擺；鄧雪松[2]等人對復(fù)（雙凹）摩擦擺支座進行了理論分析和數(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)為抬梁式木構(gòu)架，木構(gòu)架采用云杉木材，大殿的墻體是采用黏土青磚砌成。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計基本地震加速度峰值為0.1g，場地類別為IV，抗震設(shè)計分組為第一組，場地特征周期為0.9s[4-5]。

2.2 建立數(shù)值模型

隔震設(shè)計時，在大殿底部設(shè)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(chǔ)之間安裝隔震支座等隔震裝置。采用SAP2000 建立大殿的數(shù)值模型，通過釋放梁端轉(zhuǎn)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(fù)摩擦擺支座布置圖

本工程采用復(fù)摩擦擺支座共20個，其平面布置如圖1所示。

在數(shù)值模型中，復(fù)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(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比如圖2所示。多遇地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)彈性時程計算與振型分解反應(yīng)譜計算的結(jié)構(gòu)底部剪力的比值如表1所示。

圖2 地震波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比

表1 多遇地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的底部剪力

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

2.5 分析工況

復(fù)摩擦擺支座的屈服位移Dy取2mm，設(shè)計位移Dd取150mm，最大動摩擦系數(shù)和最小動摩擦系數(shù)取相等。對復(fù)摩擦擺支座曲率半徑R分別為1m、3m 的隔震結(jié)構(gòu)進行多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的彈性時程分析，與非隔震結(jié)構(gòu)時程分析結(jié)果對比，研究復(fù)摩擦擺支座曲率半徑對木結(jié)構(gòu)古建筑隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響；對復(fù)摩擦擺支座摩擦系數(shù)μ 分別為0.03、0.11 的隔震結(jié)構(gòu)進行多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的彈性時程分析，與非隔震結(jié)構(gòu)時程分析結(jié)果對比，研究復(fù)摩擦擺支座摩擦系數(shù)對木結(jié)構(gòu)古建筑隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。從而得到適合本工程的最優(yōu)化復(fù)摩擦擺設(shè)計參數(shù)。

2.6 時程分析結(jié)果及討論

各種工況時程分析結(jié)果取三條地震波時程計算結(jié)果的包絡(luò)值，見圖3～圖6（放大倍數(shù)=隔震結(jié)構(gòu)時程計算結(jié)果/非隔震結(jié)構(gòu)時程計算結(jié)果）。

圖3 設(shè)防地震下柱底剪力和相對位移的放大倍數(shù)隨曲率半徑增加的變化趨勢圖

圖4 設(shè)防地震下柱底剪力和相對位移的放大倍數(shù)隨摩擦系數(shù)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(shù)增加的變化趨勢圖

（1）由圖3可知，在設(shè)防地震作用下，當(dāng)支座的摩擦系數(shù)相同時，隔震結(jié)構(gòu)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(shè)防地震作用下，當(dāng)支座的曲率半徑相同時，隔震結(jié)構(gòu)的柱底剪力和整體相對位移隨著支座摩擦系數(shù)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(jié)構(gòu)的柱底剪力和整體相對位移的影響較小；支座摩擦系數(shù)對隔震結(jié)構(gòu)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(shù)的改變更為敏感。

（2）由圖5可知，在罕遇地震作用下，當(dāng)支座的摩擦系數(shù)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(dāng)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(shù)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小；支座的摩擦系數(shù)對支座的最大水平位移影響較大。

綜合考慮，當(dāng)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(fù)位能力較好。罕遇地震作用下，復(fù)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(fù)摩擦擺支座的滯回曲線

由上圖可知，當(dāng)R=1m，μ=0.03 時，在上海人工波3 罕遇地震作用下，復(fù)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(jié)論

本文對復(fù)摩擦擺支座在木結(jié)構(gòu)古建筑上的應(yīng)用進行了研究，可得出以下結(jié)論。

（1）復(fù)摩擦擺支座的摩擦系數(shù)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(fù)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(jié)構(gòu)的隔震效果對支座的摩擦系數(shù)較為敏感，摩擦系數(shù)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(dāng)復(fù)摩擦擺支座應(yīng)用于本工程的木結(jié)構(gòu)古建筑隔震時，選擇摩擦系數(shù)較小且曲率半徑較大的支座產(chǎn)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(fù)能力，選擇摩擦系數(shù)小且曲率半徑中等的復(fù)摩擦擺隔震支座為宜。