上下盤效應對摩擦滑移隔震結構動力響應影響

張 慧，張 超，肖青戰，程興旺

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

近年來，在我國境內相繼發生了幾次大的地震，說明我國很可能進入了一個新的地震活躍期。從2008年四川汶川發生的8.0級地震和2010年青海玉樹發生的7.1級地震中獲得了大量的近斷層地震記錄資料。近斷層地震動具有方向性效應、速度脈沖效應、上下盤效應等，將顯著改變近斷層結構的動力響應并加重震害。有學者研究了上下盤效應對結構彈性及非彈性位移反應的影響，研究表明：下盤效應在長周期段對結構絕對位移的增大作用顯著；而上盤效應在短周期段對結構絕對位移的增大作用顯著；也有學者建立了12層短肢剪力墻結構的有限元模型，研究了近斷層地震動的上盤效應、速度脈沖效應及方向性效應對高層短肢剪力墻結構地震響應的影響，研究表明：上盤效應和破裂方向性效應增大了短肢剪力墻結構的地震反應。研究了上盤效應、向前方向效應、脈沖效應及滑沖切效應對山區多層基礎框架結構地震反應的影響。又有研究發現上盤地震動具有較大的能量輸入和加速度峰值，并且在傳播過程中使地面運動得到放大，對結構產生不利的影響。在對斷層參數(如震級、斷層傾角、土體剪切波速及上埋置深度等)對隔震結構動力響應的影響的研究表明：隔震結構在下盤地震動作用下的控制效果弱于上盤地震動。

綜上所述，關于隔震結構上下盤效應研究較少，隨著滑移隔震技術的不斷推廣應用，開展滑移隔震結構上下盤效應的研究顯得尤為重要。本文以硫化鉬(MoS)涂層材料作為摩擦材料，將U型帶片作為限位消能元件，形成摩擦滑移隔震裝置。建立一棟5層帶有限位裝置的摩擦滑移隔震結構計算模型，輸入上盤地震動和下盤地震動，首先對地震動記錄沒做任何調整，研究真實地震動對結構的效應；其次結合當前抗震設計做法，對地震動加速度峰值調幅，研究上下盤地震動調幅后結構動力響應的分布規律；最后對比分析上下盤地震動加速度峰值調幅前后結構動力響應的變化規律，為近場區域帶限位裝置的摩擦滑移隔震結構的設計和評估提供參考。

1 工程概況

以一棟5層鋼筋混凝土框架結構振動臺試驗原型作為計算模型，具體如圖1所示。

圖1 振動臺試驗模型Fig.1 Shaking table test model

從圖1可知，該結構底層層高為4.2 m，2～5層層高為3.6 m。向和向均為2跨，跨距均為6 m。各層樓板厚度為100 mm，屋面板厚度為120 mm；1～5層主梁截面尺寸為300 mm×600 mm，1～5層次梁截面尺寸為200 mm×400 mm，基礎框架梁截面尺寸為300 mm×600 mm；底層柱截面尺寸為750 mm×750 mm；2～5層柱截面尺寸為600 mm×600 mm。抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.15g，場地屬Ⅱ類場地，地震分組為第1組，場地特征周期為0.35 s；上部結構阻尼比為0.05。結構所有構件采用混凝土強度等級為C30。屋面外圍梁上作用女兒墻荷載為4 kN/m，樓面外圍梁上填充墻荷載為10 kN/m；樓面恒荷載為5 kN/m，屋面恒荷載為7 kN/m；活荷載為2 kN/m，不上人屋面活荷載為0.5 kN/m。

2 滑移隔震裝置的組成

本文采用帶有限位裝置的摩擦滑移隔震裝置，具體如圖2所示。

圖2 摩擦滑移隔震裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of friction-slip isolation device

從圖2可知，該摩擦滑移隔震裝置由限位消能部件和滑移支承部件組成。限位消能部件是由A3鋼板冷彎加工形成的U型鋼片。滑移支承部件由3部分組成，即中間用低摩擦系數材料及上、下剛性支承板。其中低摩擦材料成分主要是二硫化鉬(MoS)，相關試驗表明：該材料的摩擦系數可最終穩定在0.04～0.05，本文將摩擦系數設定為0.05。

摩擦材料MoS是由中國科學院蘭州物理化學研究所研制而成。MoS的晶體為層狀結構的六方晶系，因此易于滑動，能夠起到減小摩擦的作用。并且S原子和Mo原子間的離子鍵使得MoS潤滑膜具有較高的強度，從而防止潤滑膜在金屬表面突出部位被穿透。MoS化學安定性較好，具有良好的抗酸性和抗輻射性。摩擦材料MoS的性能指標如表1所示。

表1 摩擦材料MoS2的性能指標Tab.1 Performance index of friction materials MoS2

3 有限元模型建立

將限位消能部件和滑移支承部件布置在隔震層，限位消能部件布置在結構向和向的上下基礎梁之間，每邊沿著基礎梁下端布置3個U型帶片限位消能部件。在基礎頂部與每根底層框架柱下部之間布置滑移支承部件。圖3為帶限位裝置摩擦滑移隔震結構平面布置圖。

圖3 帶限位裝置摩擦滑移隔震結構平面布置圖Fig.3 Layout plan of sliding isolation structure with displacement limit device

對于摩擦滑移隔震裝置的滑移支承部件，采用SAP2000中的Friction Isolator連接單元進行模擬，將Friction Isolator連接單元布置在每根底層框架柱下端，該連接單元不能承受軸向拉力。基于SAP2000提供的多段線性塑性連接單元對限位消能部件進行模擬。圖4為帶限位裝置的摩擦滑移隔震裝置限位消能部件骨架曲線示意圖。

圖4 限位消能部件骨架曲線示意圖Fig.4 Skeleton curve of displacement-limited device

限位消能部件的具體參數為：屈服前剛度=383 N/mm，屈服后剛度為=90.5 N/mm；屈服力=10.06 kN，最大荷載=18.10 kN；屈服位移Y=26.24 mm，最大位移為=156.46 mm。

4 工況分析

本文選取上盤地震動TCU078和下盤地震動TCU110進行動力響應分析。地震動TCU078：斷層距為8.27 km，持時為90 s，記錄步長為0.005 s，峰值加速度(PGA)為439.7 cm/s，其加速度時程曲線如圖5所示。地震動TCU110：斷層距為14.16 km，持時為90 s，記錄步長為0.005 s，PGA為176.2 cm/s；其加速度時程曲線如圖6所示。

圖5 上盤地震動TCU078加速度時程Fig.5 Acceleration time histories of hanging wall ground motion TCU078

圖6 下盤地震動TCU110加速度時程Fig.6 Acceleration time histories of footwall ground motion TCU110

一方面對地震動記錄沒做任何調整，避免調整干擾，研究真實地震動對結構的效應；另一方面結合當前抗震設計做法，對地震動加速度峰值調幅，將TCU078、TCU110兩條地震波的加速度峰值調整到310 cm/s，研究上下盤地震動調幅后結構動力響應的分布規律。

4.1 加速度反應對比

圖7為上下盤地震動調幅前后結構的絕對加速度對比圖。

調幅前

從圖7可知，調幅前后帶限位裝置的摩擦滑移隔震結構樓層加速度反應隨樓層高度增加均呈現出先減小后增大的“K”型分布。調幅前下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：135.11、140.64 cm/s；上盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：132.74、110.33 cm/s；與上盤地震動作用下隔震層、頂層的加速度相比，下盤地震動作用下的隔震層和頂層的加速度分別增加了1.79%、27.47%，調幅前均是下盤的樓層加速度大于上盤的樓層加速度。文獻[3]上下盤地震動的幅值譜可以解釋這一原因，該隔震結構的自振周期為2.12 s，自振周期大于2.1 s時，下盤地震動的譜加速度略大于上盤地震動相應值。調幅后下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：274.26、215.72 cm/s；上盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：120.69、95.10 cm/s；同理，與上盤地震動作用下隔震層、頂層的加速度相比，下盤地震動作用下的隔震層和頂層的加速度分別增加了127.24%、126.83%，調幅后也是下盤的樓層加速度大于上盤的樓層加速度。分析可知，調幅后上盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度相比調幅前分別降低了9.08%、13.80%。由此得出，調幅后上盤地震動作用下的樓層加速度響應有所減小，但減小的幅度并不明顯，說明上盤地震動作用下的樓層加速度受到加速度峰值調幅的影響不是很顯著。而調幅后下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度相比調幅前有所增加，分別增加了102.99%、53.38%，調幅后下盤地震動作用下的樓層加速度增加幅度較大。

4.2 層間位移反應對比

圖8為上下盤地震動調幅前后結構的最大層間位移反應對比圖。

調幅前

從圖8可知，調幅前后下盤地震動作用下的層間位移均大于上盤地震動作用下對應樓層的層間位移。調幅前下盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：9.71、8.02 mm；調幅后下盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：15.59、13.86 mm。由此可知，與調幅前相比，調幅后下盤地震動作用下的第1層和頂層層間位移均有所增加，分別增加了60.56%、72.82%。而調幅前上盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：1.68、2.80 mm；調幅后上盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：3.71、2.33 mm；調幅后上盤地震動作用下的第1層層間位移增加了120.83%，頂層層間位移減小了16.79%。由此可知，下盤地震動作用下的層間位移受到加速度峰值調幅的影響較大；而上盤地震動作用下層間位移受到加速度峰值調幅的影響與結構樓層有一定的關系。

4.3 層間剪力對比

圖9為上下盤地震動調幅前后結構的最大層間剪力對比圖。

調幅前

從圖9可知，調幅前后帶限位裝置的摩擦滑移隔震結構樓層加速度反應均隨樓層高度增加而減??；并且調幅前后下盤地震動作用下的層間剪力均大于上盤地震動作用下對應樓層的層間剪力。調幅前上盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：677.45、154.95 kN；調幅后上盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：584.11、122.75 kN；與調幅前相比，調幅后上盤地震動作用下的第1層和頂層層間剪力均有所減小，分別減小了13.78%、20.78%。調幅前下盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：1957.62、356.25 kN。調幅后下盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：3 197.10、578.81 kN；調幅后下盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力均有所增加，分別增加了63.32%、62.47%。由此可知，調幅后上盤地震動作用下的層間剪力有所減小，但減小的幅度有限。而下盤地震動作用下層間剪力受到加速度峰值調幅的影響較大，各層層間剪力的增加幅度均較大。

5 結語

本文研究了帶有限位裝置的摩擦滑移隔震結構在上下盤地震動調幅前后結構樓層加速度、層間位移、層間剪力的變化規律，可以得出：

(1)調幅前后下盤地震動作用下的樓層加速度均大于上盤地震動作用下的對應樓層的加速度。調幅后上盤地震動作用下的樓層加速度響應有所減?。坏珳p小的幅度并不明顯，說明上盤地震動作用下的樓層加速度受到加速度峰值調幅的影響不是很顯著。而調幅后下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度相比調幅前有所增加；

(2)調幅前后下盤地震動作用下的層間位移均大于上盤地震動作用下的對應樓層的層間位移。下盤地震動作用下的層間位移受到加速度峰值調幅的影響較大，而上盤地震動作用下層間位移受到加速度峰值調幅的影響與結構樓層有一定的關系；

(3)調幅前后下盤地震動作用下的層間剪力均大于上盤地震動作用下的對應樓層的層間剪力。調幅后上盤地震動作用下的層間剪力有所減小，但減小的幅度有限。而下盤地震動作用下的層間剪力受到加速度峰值調幅的影響較大，各層層間剪力的增加幅度均較大。