考慮增設變剛度抗風支座的隔震結構減震分析

吳應雄　夏侯唐斌　顏桂云　祁皚

摘要：基本風壓較大地區的隔震結構，隔震層抗風是設計難題。提出隔震層設置變剛度鋼板抗風支座來減少鉛芯支座數量并提高減震效果的方案。以實際工程為背景，設定結構水平向減震系數小于0.53，0.40和0.27的目標，以此建立三種對比的結構模型并進行時程分析。結果表明：采用隔震橡膠支座和變剛度抗風支座兩者相結合的隔震層布置形式合理，達到降低結構地震響應、提高隔震效果和滿足抗風設計的目標，但兩者數量需要優化設計，進一步提出為保證結構正常使用，鉛芯支座水平承載力設計值宜接近風荷載作用下隔震層水平剪力標準值。對抗風支座進行數值模擬和靜載荷抗剪試驗，結合結構模型時程分析，闡明了抗風支座變剛度的工作機理，表明了抗風支座在正常使用和小震作用條件下提供水平承載力，中震作用條件下屈服破壞退出工作，結構減震效果不變。

關鍵詞：隔震結構；抗風支座；變剛度；地震響應；試驗研究

引言

中國沿海地區的工程應用表明，當基本風壓較大，隔震結構抗風是設計難題。隔震層普遍采用隔震橡膠支座（簡稱隔震支座），其抗風設計通常是增加鉛芯支座（LRB）的數量，同時減少普通橡膠支座（LNR）數量。這樣帶來的問題是，隔震層水平剛度增大、位移減少，降低了隔震效果，因此工程設計需要在層間位移受控和隔震效果及滿足抗風設計三者間找到平衡點。

部分學者提出在隔震層增設附加抗風裝置，與鉛芯支座協同抗風，通過設計抗風裝置在不同荷載工況下的工作狀態，實現風載或小震作用時，隔震層水平等效剛度較大；中震或大震作用時，隔震層水平剛度較小的變剛度工作機制，以解決抗風設計與減震效果的矛盾。和田章等研究認為，當風荷載或結構高寬比較大的隔震結構，應重點關注抗風設計和風致下的舒適度問題，隔震層由LNR和鉛棒阻尼器兩者組成的形式，比純粹采用LRB有更好的隔震效果。日本的工程應用中，隔震層通常由隔震支座、黏滯阻尼器和鉛阻尼器或環狀鋼棒阻尼器組成，這種組合隔震形式有很好的減震效果以及限位和抗風的能力，但阻尼器成本較高且需要的安放空問較大。翁大根等研究了MFPB與黏滯阻尼器協同工作的減震效果，表明了這種組合方式能有效控制隔震體系位移，但同時增大了阻尼和樓層加速度響應。

中國已建成的工程中，隔震支座與變剛度鋼板抗風支座（簡稱WRS）兩者相結合的隔震層布置形式，首先由廣州大學工程抗震中心提出并付諸實踐，同時取得實用新型專利。應用表明了WRS具有承載力大、安放空問小且震后更換方便等優點。中國現行GB50011-2010建筑抗震設計規范（簡稱《抗規》（10版））中對于隔震支座與WRS相結合隔震層布置形式沒有相關設計規定，對于隔震層抗風設計的研究也少見文獻報道，因此有必要在這一方面開展相應的研究工作，為隔震結構的抗風設計提供參考。

1.結構模型建立和隔震設計

1.1隔震結構模型原型概況

隔震結構模型的原型來自于層間隔震試點建筑，工程為廈門某中學教學樓，圖1是建筑效果圖。建筑5～6層，底層架空，2～6層為教學用房，建筑面積為4095 m2。平面基本規則，最大高寬比為2.37。框架結構，隔震層在底層柱子頂部。抗震設防烈度為7度（0.15g），地震分組為第二組，建筑抗震設防類別為乙類。場地類別為Ⅱ類，特征周期T=0.40 s，場地基本風壓為0.80 kN/m2。