滑移隔震限位裝置的力學性能和選型研究*

張 慧 張 超

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

1 滑移隔震的基本原理

滑移隔震是在基礎和建筑上部結構之間設置一個附著低摩擦材料的滑移面，在地震發生時允許建筑上部結構相對基礎做整體水平滑移。建筑物在滑動過程中，通過摩擦滑移耗散了地震能量，減弱了地震作用向建筑上部結構的傳遞，達到削弱地震作用的目的。當建筑結構遭遇小震作用或者正常使用時，靜摩擦力使隔震層具有初始剛度，限制建筑上部結構的滑移。當地震作用達到一定的強度時，上部結構開始在滑移面上移動，此時通過限位裝置和摩擦作用共同耗能，來降低上部結構的地震響應[1]。與橡膠隔震體系相比，滑移隔震體系頻帶寬度無限，不存在產生共振的問題。滑移隔震裝置（如圖1所示）具備以下特性[2]，才能達到良好的隔震效果。

（1）隔震特性。在遭遇小震或者強風時，隔震層具有足夠的初始水平剛度，隔震層不出現滑移，此時隔震結構為“剛性”結構體系，上部結構基本不產生水平位移，上部結構正常使用。當承受中震或者大震作用時，由于隔震裝置的存在，通過相對滑移使得結構從“剛性”結構體系變成“柔性”結構體系，隔震層剛度明顯減小，結構的自振周期變長，降低了結構地震反應。

（2）復位特性。震后隔震裝置限制結構不會產生過大的殘余變形，具有一定的彈性恢復能力，確保結構能達到正常使用的要求。

（3）承載特性。隔震裝置具有一定的豎向承載力，能夠承受上部結構的全部荷載。

（4）限位耗能特性。隔震裝置能夠耗散較多的能量，使得上部結構吸收的能量減小，并能通過限位裝置減小隔震層的水平位移。

2 限位裝置介紹

影響滑移隔震結構隔震效果的一個重要因素是滑移量。滑移量過大，將會增加結構復位難度，且增加結構設計和構造的難度，如水暖管道的設置。目前控制滑移量有兩種方法：①設置與滑移支承元件相匹配的限位耗能裝置；②提高滑移面的摩擦系數，增加了隔震層的初始剛度，減小了結構基底的滑移量，但也降低了滑移隔震結構的隔震效果，使得上部結構的響應增大。第一種方法能有效控制滑移量，且不減弱隔震效果。

目前，限位裝置設計有兩種思路：①硬碰撞限位。位移越大，限位裝置的剛度越大，擋的作用比較突出，將引起結構與限位裝置的硬碰撞，嚴重者可引起結構傾覆，危害結構安全；②軟碰撞限位。位移越大，限位裝置的剛度越小，結構與限位裝置碰撞后，限位裝置將通過塑性變形進行耗能，基底滑移量得到了控制，并且保證結構具有良好的隔震效果。因此，學者們對軟碰撞限位的研究較多。

目前軟碰撞限位裝置主要有花瓣狀螺旋彈簧、軟鋼U 型帶片、組合圓環、反彎受控彈塑性阻尼器、軟鋼實體圓錐棒、復合限位器。此外，還有摩擦阻尼器、疊層橡膠支座、粘滯阻尼器、扭轉梁、形狀記憶合金等。軟碰撞限位裝置有以下特征：①限位裝置制作簡單，造價低，安裝維護方便，便于推廣使用；②具有較高的極限承載力，較低的屈服強度，屈服后剛度較小；③限位裝置出現側向變形時，不會在豎向產生過大的附加力；④具有良好的塑性變形能力；⑤具有較好的抗疲勞性能；⑥滯回曲線飽滿，耗能能力較強。

3 限位裝置的力學性能

本文研究的限位裝置為軟鋼板冷彎而成的U型帶片，如圖2 所示。文獻[3]對軟鋼U 型帶片的力學性能進行了試驗。

圖2 軟鋼U型帶片示意圖

3.1 初始剛度

U型帶片截面進入塑性狀態時，極限位移與彈性位移相比較大，其彈性位移為30mm～45mm，而極限位移可達到200mm 以上。通過簡化分析，當受力最大截面出現塑性鉸時，取該截面的荷載為初始荷載，U 型帶片的初始剛度為相應的割線剛度，初始剛度是U 型帶片進行彈性復位和限位的重要指標。通過設計及分析確定合理的初始剛度，確保滑移隔震結構在遭遇地震烈度為8 度以下地震作用時能夠自動進行復位。若結構承受地震烈度為8度以上地震作用時，U型帶片出現彎曲變形，此時進入彈塑性工作階段，限位裝置通過自身變形耗散能量，減少上部結構的地震反應，但震后結構需要人工進行復位。

3.2 抗疲勞性能

為了研究U 型帶片的抗疲勞性能，設計了兩組試件的低周反復加載試驗。兩組試件尺寸為：①彎曲半徑R 為150mm、板厚t 為14mm、板寬b 為150mm、外伸長度L 為200mm；②彎曲半徑R 為150mm、板厚t 為14mm、板寬b為100mm、外伸長度L為200mm。兩組試件均在150mm 的大位移下循環加載，其疲勞次數可達128～140 次。因此，U 型帶片限位裝置具有良好的抗疲勞性能。

3.3 滯回性能

通過U 型帶片低周反復加載試驗，得到其滯回曲線，如圖3 所示。該滯回曲線包含的面積較大，耗能能力較強，滯回曲線形狀呈梭形，對稱且飽滿。通過試驗數據分析，當板厚t適中時，隨著曲率半徑R增大，耗能能力提高，延性系數增大。隨著外伸長度L和板寬b的增加，變形在增大，但對滯回曲線影響不顯著。

圖3 U型帶片滯回曲線

4 限位裝置選型研究

4.1 限位裝置的選型依據

（1）基底最大剪力的計算

圖4為基礎滑移隔震層骨架曲線。由圖4可知，滑移隔震結構隔震層先后經歷三個階段，分別為靜摩擦階段、滑移階段和限位階段。基于隔震層的骨架曲線，可推導得到隔震層基底最大剪力F0[4]。

圖4 基礎滑移隔震層骨架曲線

式中G為上部結構的總重力荷載；μ為滑動面摩擦系數；Py為限位裝置的屈服力；

對公式（1）推導：

式中η表示限位裝置與摩擦力的匹配關系，其數值為隔震層限位裝置的總屈服力與摩擦力之比。

（2）基底最大滑移量的計算

文獻[5]提出了滑移隔震結構的基底最大滑移量計算公式：

式中m為上部結構總質量；K1為隔震層彈性剛度；a為與限位裝置有關的系數，當U型帶片個數n=2時，a=13.2；當n≥4時，a=6.6。

由公式（1）和（3）可得：

通過上述公式確定基底最大剪力和基底最大滑移量，以此進行限位裝置的選型。

4.2 限位裝置選型的步驟

（1）根據結構特點、場地類別以及地震背景等設計要求，確定摩擦材料及其摩擦系數μ的取值。根據目前通用的規范設計方法，進行上部結構設計，確定上部結構的布置方案，根據所用的建筑材料，計算得到上部結構的總質量m。通過相關試驗和有限元模型分析，確定滑移隔震結構基底最大滑移量Smax。

（2）對隔震層限位裝置進行布置設計，確定限位裝置個數，并通過公式（3）確定與阻尼有關的系數a。在公式（4）中，Smax和a已經確定，Py和K1未知。

（3）若隔震層布置同一種類型的限位裝置，可通過公式K=K1/(n1+0.6n2)[6]得到單個限位裝置的彈性剛度K，此時在公式（4）中，未知數為Py和K，這兩個指標為限位裝置的關鍵參數，以此進行限位裝置型號的選擇。

（4）通過確定的限位裝置參數，帶入公式（1）中，可得基底最大剪力F0，F0和滑移隔震結構總水平地震作用FEK相等。由于滑移隔震結構基本振型具有近似平動的特征，可近似按集中于質點的重力荷載代表值分配得到作用于質點的水平地震作用，如公式（5）所示。FEK值不應低于對應的非隔震結構在6度設防時的總水平地震作用。

式中Gi、Gk分別為集中于質點i、k的重力荷載代表值；Fik為作用質點的水平地震作用標準值。

第i層的層間剪力為：

式中Fjk為作用于第j層的水平地震作用標準值；Vik為第i層層間剪力標準值。

（5）通過步驟（4）計算得到上部結構各層層間剪力，再通過步驟（1）的上部結構布置方案，計算出各層層間剛度。根據各層層間剪力和層間剛度，得到各層層間位移。《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）對最小地震剪力、最大層間位移設定了相關的限值，對計算得到的各層層間剪力和層間位移應進行驗算，符合要求后進行上部結構的詳細設計。

（6）若步驟（5）中的相關驗算沒有達到要求，應重新進行步驟（1）～（5），直到滿足相關驗算要求為止。

通過以上限位裝置選型步驟，可得到限位裝置的兩個重要參數，即限位裝置的彈性剛度K和限位裝置的屈服力Py。基于U 型帶片力學性能試驗數據，并結合工程實例分析，給出U型帶片的選型表，從而使得滑移隔震結構隔震層的設計變得高效。

4.3 U型帶片選型表

U型帶片選型表的編制應滿足下列要求：①各型號限位裝置應進行材性試驗，具有明確的力學性能指標，以便能直接進行模型試驗和分析；②各型號限位裝置能吸收較多輸入結構的地震能量，具有較強的耗能能力；③各型號限位裝置的彈性剛度應涉及限位剛度各區段，以便對隔震層優化，找出最優的限位剛度區段；④各型號限位裝置的尺寸參數應有所區別，以便分析尺寸參數對其荷載、剛度及耗能的影響。基于限位裝置選型步驟，經過分析得到軟鋼U型帶片選型表，如表1所示。

表1 軟鋼U型帶片選型表

5 結語

本文首先明確了滑移隔震裝置的基本特征，對限位裝置進行了介紹，將軟鋼U 型帶片作為本文研究的限位裝置，分析了U型帶片的初始剛度、抗疲勞性能及滯回性能等。基于滑移隔震結構基底最大剪力、基底最大滑移量的計算方法，推導了限位裝置的選型依據，給出了限位裝置選型的步驟。結合U型帶片力學性能試驗數據，提出了軟鋼U型帶片的選型表。