新型自復位三維隔震結構動力響應數值模擬分析*

田 坤，李向民，王卓琳

(上海市建筑科學研究院有限公司上海市工程結構安全重點實驗室，上海 200032)

0 引言

采用基礎隔震技術時，通過設置具有較小剛度的隔震層延長結構自振周期，避開共振周期，從而隔離地震能量，顯著減小隔震層上部結構動力響應。最早的隔震結構為Pestalozzi小學[1]，該學校采用橡膠塊作為隔震裝置，但橡膠塊在結構自重作用下壓縮變形較大，且橫向變形明顯。法國設計師在純橡膠塊中加入多層鋼板，提高了橡膠支座豎向剛度，限制了支座橫向變形，朗貝斯庫學校和庫魯阿斯核電站均采用了該類支座。為提高支座耗能能力，在橡膠支座中部加入鉛芯，制成鉛芯橡膠隔震支座，新西蘭惠靈頓威廉克雷頓大樓是該類支座在工程上的首次應用[2]。隨后，眾多學者針對疊層橡膠隔震支座開展了大量理論與試驗研究工作[3-11]，使疊層橡膠隔震支座在實際工程中得到推廣與應用[12-15]。

水平隔震技術雖可有效減小結構水平加速度響應，但可能放大結構豎向加速度響應。在高烈度地區，尤其是震中附近，豎向地震動分量對結構的破壞作用不可忽視。因此，可同時減小結構水平、豎向加速度響應的三維隔震技術應運而生，對該技術的研究主要圍繞三維隔震支座，三維隔震支座主要分為厚層橡膠隔震支座[16-17]、空氣彈簧隔震支座[18-19]和鋼彈簧隔震支座[20]。

針對常規水平隔震結構(簡稱HISO)豎向加速度被放大、鋼彈簧三維隔震支座抗拉能力差且易發生提離失效等問題，研發新型自復位抗拉三維隔震支座。該支座由水平橡膠隔震支座和自復位抗拉豎向碟形彈簧隔震支座組成，其中水平支座起水平隔震作用，豎向支座起豎向隔震作用，且具有防提離和自復位作用。通過有限元分析軟件SAP2000建立采用疊層橡膠隔震支座的常規水平隔震結構模型和采用新型自復位抗拉三維隔震支座的三維隔震結構(簡稱3DISO)模型，并對比分析不同地震波作用下的結構動力響應。

1 新型自復位抗拉三維隔震支座

新型自復位抗拉三維隔震支座構造如圖1所示，豎向支座設有水平限位構件，并通過構造設計保證碟形彈簧處于壓縮狀態，為支座提供自復位恢復力，防止支座發生提離失效。在支座變形過程中，內部構件對阻尼液的剪切與擠壓作用可提高支座耗能能力，進一步減小上部結構動力響應。

圖1 新型自復位抗拉三維隔震支座構造示意

2 有限元模型建立

為研究新型自復位抗拉三維隔震支座隔震效果，建立HISO，3DISO模型進行動力響應分析，其中HISO疊層橡膠隔震支座采用橡膠隔震支座連接單元模擬，3DISO三維隔震支座采用橡膠隔震支座連接單元、摩擦彈簧連接單元和黏滯阻尼器連接單元模擬。隔震層上部均設置8層框架結構，框架梁、柱均采用矩形混凝土截面單元模擬，樓板采用殼單元模擬(見圖2)。選用El-Centro，Superstition，Tabas，Taft波，地震波原始信息如表1所示，歸一化地震波時程曲線與加速度反應譜如圖3所示。

圖2 有限元模型

表1 地震波原始信息

圖3 歸一化地震波時程曲線與加速度反應譜

3 數值模擬結果與分析

3.1 自振周期

HISO，3DISO自振周期如表2所示，由表2可知，3DISO豎向自振周期顯著增大，水平自振周期有所增大，表明新型自復位抗拉三維隔震支座可進一步減小上部結構在地震作用下的動力響應。

表2 自振周期 s

3.2 加速度

不同地面峰值加速度下HISO，3DISO加速度放大系數如表3，4所示，由表3，4可知，3DISO加速度在部分地震波作用下較HISO加速度大，但較地面加速度顯著減小；HISO豎向加速度響應相對于地面顯著增大，而3DISO豎向加速度響應相對于地面未出現顯著放大現象。

表3 HISO加速度放大系數

表4 3DISO加速度放大系數

3.3 位移

不同地面峰值加速度下HISO，3DISO水平位移峰值如圖4所示，由圖4可知，HISO，3DISO上部結構變形均表現為整體平動，水平位移峰值隨著樓層數的增加而增大；3DISO水平位移較HISO水平位移小。當結構水平加速度響應未出現顯著放大現象時，結構水平位移可得到控制。

圖4 結構水平位移峰值

3.4 滯回性能

Superstition波作用時，不同地面峰值加速度下HISO，3DISO隔震支座水平荷載-位移滯回曲線如圖5所示。由圖5可知，HISO，3DISO屈服力、屈服前剛度與屈服后剛度相等，這是因為研究模型均采用同型號疊層橡膠隔震支座；3DISO三維隔震支座水平位移較HISO水平隔震支座小。

圖5 結構水平荷載-位移滯回曲線

Superstition波作用時，不同地面峰值加速度下3DISO隔震支座豎向荷載-位移滯回曲線如圖6所示。由圖6可知，不同工況下隔震支座均處于受壓狀態。

圖6 3DISO豎向荷載-位移滯回曲線

當地面峰值加速度為0.6g時，HISO，3DISO隔震支座豎向荷載時程曲線如圖7所示。由圖7可知，3DISO三維隔震支座豎向荷載峰值顯著小于HISO水平隔震支座；HISO水平隔震支座在Superstition波作用下的最大豎向拉力達366kN，已進入受拉狀態，而3DISO三維隔震支座在 El-Centro，Superstition波作用下均未進入受拉狀態。

圖7 隔震支座豎向荷載時程曲線

4 結語

研發新型自復位抗拉三維隔震支座，并建立采用疊層橡膠隔震支座的常規水平隔震結構模型與采用新型自復位抗拉三維隔震支座的三維隔震結構模型，對比分析結構動力響應特性，得出以下結論。

1)3DISO水平和豎向自振周期均較HISO大，其中豎向自振周期顯著增大。

2)HISO水平加速度響應相對于地面顯著減小，但豎向加速度響應顯著增大；3DISO水平加速度響應相對于地面顯著減小，減幅與HISO相當，但豎向加速度響應相對于地面未出現顯著放大現象，可知3DISO豎向加速度控制效果優于HISO。

3)HISO，3DISO上部結構變形均表現為整體平動，3DISO水平位移較HISO水平位移小，可知罕遇地震作用下，3DISO可避免因橡膠隔震支座發生過大水平位移而造成的剪切破壞。當結構水平加速度響應未出現顯著放大現象時，結構水平位移可得到控制。

4)HISO，3DISO屈服力、屈服前剛度與屈服后剛度相等，但3DISO三維隔震支座豎向荷載峰值較HISO水平隔震支座小。當地面峰值加速度為0.6g時，HISO水平隔震支座在Superstition波作用下進入受拉狀態，而3DISO三維隔震支座在El-Centro，Superstition波作用下均未進入受拉狀態。