組合基礎隔震系統性能分析

摘 要：組合基礎隔震系統能充分利用不同隔震支座體系的優勢，有效減弱建筑上部結構地震反應。文章結合組合基礎隔震系統在工程中的應用，采用組合隔震支座分析模型進行計算分析，并利用房屋模型振動臺試驗，通過結果比較，研究分析組合基礎隔震系統的地震反應及其恢復力。結果表明組合基礎隔震系統不僅能有效地削弱建筑上部結構的地震反應，而且能保證隔震層的變形在安全范圍之內。

關鍵詞：組合基礎隔震；工程應用；模型分析；振動臺試驗

中圖分類號：TU352.12 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）30-0043-03

傳統的抗震設計通常以結構剛度吸收地震輸入能量為基礎，進而保證建筑仍能正常使用以及保證人身安全，但總是難以避免因建筑變形導致的人身傷亡和物品的破壞；而基礎隔震系統則是憑借隔震層吸收地震能量近乎都由基礎隔震層吸，防止結構破壞，確保人員和物品安全?；A隔震系統利用耗能器消減地震輸入能，通過隔震可控制能量向上傳遞。因而基礎隔震系統通常選用具有剛塑性、粘塑性、粘滯阻尼型、彈塑性的隔震器或組合式隔震器。

組合基礎隔震系統是將復位元件和滑移摩擦隔震支座結合起來，將兩種不同類型的隔震高效的組合在一起，使其既擁有摩擦耗能能力，又擁有復位能力，使系統震后恢復原位。

本文研究選用組合基礎隔震系統是由疊層橡膠支座和滑板摩擦支座組合而成，系統中滑板摩擦支座滯回耗能，疊層橡膠支座提供復位力。這種組合基礎隔震系統隔震原理簡明，效果顯著。

本文先介紹組合基礎隔震系統在廣州大學行政辦公樓工程中的應用實例，隨后通過建立合理的組合隔震支座分析模型，進行組合隔震支座的恢復力及加速度反應幅值計算，并利用房屋模型振動臺試驗，進行試驗驗證分析，通過對分析模型的計算結果和振動臺試驗結果進行比較，對組合基礎隔震系統進行地震反應對比分析及恢復力研究，對其震性能進行較為全面準確的分析和討論。

1 組合基礎隔震系統工程應用

廣州大學行政辦公樓工程包括兩棟六層框架結構辦公樓，把左側的一棟辦公樓采用組合基礎隔震系統建成隔震結構。隔震層設置在地下室與首層之間，隔震層平面尺寸約為73 m×143 m，結構抗震設防烈度為7 ？觷，建筑場地屬II類場地?？偨ㄖ娣e約30 000 m2。兩棟辦公樓中將安裝強震儀。

組合基礎隔震系統選用橡膠隔震支座（包括普通橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座）和彈性滑板支座兩種類型隔震支座。此工程中共使用各類支座209個。

廣州大學行政辦公樓工程組合基礎隔震系統中，在對應豎向長期設計荷載相對較小的柱的位置布置彈性滑板支座，剪力墻在大震時會出現拉應力，在其下布置鉛芯橡膠支座，在其它柱位布置普通橡膠支座。為保證隔震層擁有相對較大的變形能力，該布置方式中選用直徑較大的橡膠支座，大約為500 mm。

該工程中依據支座極限承載能力，采用的直徑為300 mm滑板支座中四氟板，其最大設計面壓為20 MPa；直徑為350 mm橡膠支座，其最大設計面壓為15 MPa。

對工程中的全部支座進行了一系列性能測試，支座的測試內容包括豎向剛度、屈服力和剪切變形100%時水平剛度等方面性能。該工程水平剪切變形100%時隔震層測試結果見表1。在設計豎向壓力1 400 kN時，四氟板和不銹鋼板面間不添加潤滑劑時，水平恢復性能良好，水平摩擦系數為4%，屈服前剛度為4.25 kN/mm，不銹鋼板面與四氟板之間加硅脂油潤滑情況下水平恢復性能良好，水平摩擦系數為0.6%。

經過對支座的一系列檢測和計算分析，得出如下結論：廣州大學行政辦公樓工程中科學合理的運用了組合基礎隔震系統，在遭遇大震時建筑保持結構性能，并且能控制隔震層水平變形幅度，使其在合理區間內浮動。

2 組合隔震支座分析模型

組合基礎隔震系統中，由于疊層橡膠支座具有良好的彈性性能，因而系統的向心復位力由疊層橡膠支座提供。在疊層橡膠支座水平方向采用一粘滯阻尼器和一線性彈簧的組合方式，將疊層橡膠支座簡化為一線彈性粘滯阻尼隔震器，采用豎向力—變形采用線彈性模型模擬分析。疊層橡膠支座水平力恢復力Frb計算公式如下：

Frb=Frb？孜+Frb1

式中：Frb？孜為疊層橡膠支座粘滯恢復力，Frb1為疊層橡膠支座彈性恢復力。

滑移摩擦支座水平方向采用一粘滯阻尼器和庫侖阻尼器組合的隔震器，豎向力—變形也采用線彈性模型進行模擬分析?；颇Σ林ё交謴土sb計算公式如下：

Fsb=Fsb？孜+Fsbh

式中：Fsb？孜為隔震支座粘滯阻尼器的粘滯恢復力，Fsbh為雙線性有庫侖阻尼器的滯回恢復力。

多自由度基礎隔震系統的運動方程如下：

[M]ü+[C]FF■■+[K]FFu+ 0Fsb（u1）+Frb（u1）=-[M]lüg

式中：[M]為系統的質量矩陣，[C]FF為基底隔震器阻尼和剛度為零的阻尼矩陣，[K]FF為基底隔震器阻尼和剛度為零的剛度矩陣，Frb（u1）為疊層橡膠支座的水平恢復力，Fsb（u1）滑移摩擦支座的水平恢復力，ü為系統的加速度、■■為系統的速度、u為系統的位移列向量，u1為隔震層的位移，üg為震動輸入加速度，1為單位列向量。通過ANSYS5.5的求解器用Newmark有限差分法進行其運動方程計算求解。

對采用的隔震房屋模型進行非線性動力時程分析，結構粘滯阻尼采用瑞雷阻尼假定，上部結構粘滯阻尼比試驗值取2.2%，疊層橡膠支座粘滯阻尼比ξb取3%，滑動摩擦支座粘滯阻尼比ξb取5%。

組合隔震支座分析模型的計算及理論分析結果，在后文中與組合基礎隔震房屋模型振動臺試驗結果進行統一陳述和比較，詳見第4節。

3 組合基礎隔震房屋模型振動臺試驗

以實際房屋為參照，依照振動臺承載能力和結構相似理論，設計了一鋼框架試驗模型。對組合基礎隔震房屋模型和基礎固定房屋模型進行一系列振動臺對比試驗，并進一步對試驗所得結果進行比較和分析。模型和原型采用的相似關系見表2。試驗采用中四個疊層橡膠支座和二個滑板摩擦支座作為模型的隔震支座。

試驗采用四種地震波型（Hachinohe、EI Centro、Taft、Kobe）對模型進行單向、雙向和三向輸入。組合基礎隔震房屋模型試驗輸入加速度幅值為0.26～0.78 g；基礎固定房屋模型試驗輸入加速度幅值為0.10～0.25 g。

為得到隔震模型結構的阻尼比、自振頻率、傳遞函數，試驗前先用白噪聲對模型進行掃描。組合基礎隔震試驗進行了40個工況，測試內容有結構加速度反應、隔震層及支座力位移、層間位移和柱應變反應等?；A固定房屋模型做了22個工況，測試內容與隔震系統基本相同。試驗結束后對隔震支座復位進行了詳細檢查，支座復位良好。

模型結構分析和試驗各樓層x向加速度反應幅值曲線如圖1所示，由圖可見Hachinohe波輸入時相差稍大，并未考慮大應變時支座參數變化，實測值比計算值大，但分析誤差在僅15%左右，El Centro波輸入時模型上部結構加速度反應試驗實測值和計算值相差無幾。

組合基礎隔震系統中，變形主要集中在隔震層，通過滑移摩擦支座滑移耗散地震動輸入能量，通過疊層橡膠支座復位力，保證系統能良好復位。Hachinohe和El Centro地震波輸入時x、y方向分析和試驗隔震層位移反應時程曲線吻合較好。組合基礎隔震系統中，滑移摩擦支座力—位移表現出良好的雙向性庫侖摩擦滯回特性。El Centro地震波輸入時力—位移滯回曲線分析和試驗結果中，疊層橡膠支座滯回曲線相似，而摩擦滑移支座滯回曲線相近。

組合基礎隔震系統加大了結構阻尼比，降低加速度幅值，并使模型第一振型頻率降低了。模型層間相對位移微小，結構上部保持在彈性范圍內。組合基礎隔震系統將地震輸入能量通過滑移摩擦支座滑移滯回變形耗散，通過隔著層削弱了地震能量向上的傳遞，有效減弱了建筑結構受到的損傷。

4 結 語

通過結合工程實例以及模型分析與振動臺試驗，全面準確的分析討論組合基礎隔震系統隔震性能，得出以下結論：

①廣州大學行政辦公樓工程中科學合理的運用了組合基礎隔震系統，在遭遇大震時建筑保持結構性能，并且能控制隔震層水平變形幅度，使其保持在合理范圍內。

②經研究分析組合基礎隔震房屋模型振動臺試驗數據發現，疊層橡膠隔震支座和滑移摩擦隔震支座的滯回環面積，前者面積較小和后者面積較大，分別展現出良好的彈性復位能力和耗能能力。

③組合基礎隔震系統能有效地降低建筑上部結構的地震反應，以及變現出良好的自動復位能力和耗能能力，適合隔震設計和工程應用中的多層房屋及高寬比較?。é隆?）的高層房屋。

④組合基礎隔震系統能安不同類型隔震支座的優點有效結合在一起，構成理想的隔震層，削弱建筑結構的地震反應，確保地震作用仍能正常工作，是一種優秀的能滿足實際工程的隔震方案。

參考文獻：

[1] 呂西林，朱玉華.組合基礎隔震房屋模型振動臺試驗研究[J].土木工程學報，2001，（2）.

[2] 朱玉華，呂西林.組合基礎隔震系統地震反應分析[J].土木工程學報，2004，（5）.

[3] 王建強，丁永剛，李大望.組合基礎隔震結構雙向地震反應分析[J].地震工程與工程振動，2007，（5）.

[4] 魏陸順，周福霖，劉文光.組合基礎隔震在建筑工程中的應用[J].地震工程與工程振動，2007，（2）.

[5] 魏陸順，周福霖，劉文光.廣州大學城應用組合基礎隔震技術[J].建設科技，2005，（2）.

[6] 徐義，盧文勝.并聯組合基礎隔震體系的簡化計算方法及實驗分析[J].結構工程師，2011，（S1）.