組合隔震體系的研究現(xiàn)狀與特點(diǎn)分析

楊利國(guó)，宋艷清

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

組合隔震體系的研究現(xiàn)狀與特點(diǎn)分析

楊利國(guó)，宋艷清

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

基礎(chǔ)組合隔震結(jié)構(gòu)是把不同的隔震裝置配合起來(lái)使用，以取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的隔震效果。橡膠隔震支座和摩擦滑移隔震支座的串聯(lián)和并聯(lián)是組合隔震體系最常用的形式，分析了其工作原理和等效阻尼比的計(jì)算方法，探討了該隔震體系的隔震效果和工程應(yīng)用價(jià)值。

橡膠墊隔震；摩擦滑移隔震；隔震結(jié)構(gòu)；串聯(lián)組合；并聯(lián)組合；阻尼比

0 引言

地震是地球內(nèi)部能量短時(shí)間的釋放，能引起火災(zāi)、水災(zāi)、有毒氣體泄漏、細(xì)菌及放射性物質(zhì)擴(kuò)散，還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地裂等次生災(zāi)害。因此，地震會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅。減震防震研究對(duì)于地震多發(fā)的中國(guó)具有重要的意義。在各類(lèi)抗震技術(shù)中，隔震技術(shù)因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、減震效果明顯等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛的關(guān)注?；A(chǔ)隔震技術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)［1～2］。

常用的基礎(chǔ)隔震裝置有橡膠墊隔震、摩擦滑移隔震、滾動(dòng)裝置隔震、阻尼器隔震、組合隔震等?；A(chǔ)組合隔震是將多種隔震裝置按照一定的方式布置在建筑基礎(chǔ)隔震層中。組合隔震體系能充分發(fā)揮隔震支座各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)不足。因此，組合隔震體系已經(jīng)成為現(xiàn)代隔震技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要思路，其工程應(yīng)用和推廣仍值得進(jìn)一步的研究。

目前，常用的組合隔震體系主要有橡膠支座與滑動(dòng)摩擦支座組合、橡膠支座與摩擦擺支座組合、滾軸-橡膠組合支座、摩擦-碟簧組合支座等。在我國(guó)，橡膠支座的理論研究較為成熟，工程實(shí)踐應(yīng)用較多，因地震而發(fā)生的位移具有自我恢復(fù)能力，但是橡膠隔震支座造價(jià)相對(duì)較高。摩擦滑移支座性?xún)r(jià)比較高，但地震時(shí)不具有恢復(fù)力，隔震層水平位移較大。筆者綜合考慮實(shí)際應(yīng)用和造價(jià)等因素，試以最常用的摩擦滑移隔震支座與橡膠支座組合為研究對(duì)象，分析其串聯(lián)式組合和并聯(lián)式組合的特點(diǎn)，以期為后續(xù)研究和隔震的應(yīng)用提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1．1 國(guó)外研究概況

國(guó)外最早提出隔震技術(shù)概念的是日本人河合浩藏。1881年，他以“滾軸”隔震的形式提出來(lái)“隔震”這一概念。其后，1906年，德國(guó)人J．Beehtofd提出“滾球”隔震形式。1909年，英國(guó)人J．A．Calantarients提出“滑動(dòng)”隔震概念。1927年，日本人中村太郎提出“阻尼器”隔震概念，并將其應(yīng)用于工程中。隨后，“橡膠隔震支座”概念的提出進(jìn)一步完善和豐富了隔震理論，為“組合隔震”的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)80年代起，各國(guó)的研究人員逐漸開(kāi)展了組合隔震的相關(guān)理論研究和工程實(shí)踐。1987年，Kelly發(fā)現(xiàn)，混合控制隔震結(jié)構(gòu)兼具被動(dòng)控制體系和主動(dòng)控制體系的優(yōu)點(diǎn)，抗震性能優(yōu)良，是極具潛力的新一代隔震系統(tǒng)。隨后，他對(duì)混合控制隔震結(jié)構(gòu)的有效性、時(shí)滯補(bǔ)償策略、最小變異控制等進(jìn)行了研究［3］。Chalhoub和Kelly等提出了采用橡膠支座作為復(fù)位元件的組合摩擦隔震系統(tǒng)，并且對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［4］。試驗(yàn)結(jié)果表明，由橡膠支座和摩擦支座組成的組合隔震系統(tǒng)，摩擦支座具有良好的耗能能力，能夠有效阻止能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。并且，橡膠支座可以使系統(tǒng)在震后良好復(fù)位。Franco Braga等對(duì)一低層住宅分別在橡膠隔震和并聯(lián)隔震情況下的隔震性能測(cè)試結(jié)果顯示，并聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求［5］。Karavasilis等人通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架添加一種特制的彈性阻尼器以形成整個(gè)復(fù)合隔震系統(tǒng)，并對(duì)該種復(fù)合隔震系統(tǒng)的滯回特性用修正的力學(xué)模型進(jìn)行了探討［6］。Amadio等人通過(guò)建立框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了地震作用下的有限元分析，其結(jié)果表明，復(fù)合隔震裝置可以有效降低滯回位移，起到隔震消能作用［7］。

1．2 國(guó)內(nèi)研究概況

國(guó)內(nèi)開(kāi)展關(guān)于組合隔震體系的研究相對(duì)較晚。周錫元等以砌體房屋為例，研究了串聯(lián)和并聯(lián)組合隔震體系地震反應(yīng)的基本特征，并給出了參數(shù)搭配和優(yōu)化設(shè)計(jì)原則［8］。呂西林等針對(duì)并聯(lián)復(fù)合隔震房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，復(fù)合隔震體系具有更為明顯的優(yōu)越性［9］。楊樹(shù)標(biāo)等通過(guò)對(duì)比研究非隔震結(jié)構(gòu)、橡膠隔震結(jié)構(gòu)、摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)、并聯(lián)組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震性能，得出通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，復(fù)合隔震體系具有明顯的優(yōu)越性的結(jié)論［10］。李?lèi)?ài)群等對(duì)并聯(lián)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一般特性和并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系隔震層參數(shù)的合理選擇問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)探討［11］。張富有等根據(jù)串聯(lián)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給出了其等效阻尼、等效剛度的計(jì)算公式。他們將串聯(lián)隔震支座設(shè)定為多個(gè)屈服剪力水平，得到了較好的等效阻尼。這一結(jié)果表明，選擇合適的摩擦系數(shù)和2種支座的剛度比，可以得到性能較好的隔震結(jié)構(gòu)［12］。倪國(guó)葳等從建筑物消能隔震控制角度進(jìn)行了深入的研究，提出了一種串聯(lián)復(fù)合基礎(chǔ)隔震裝置，并申請(qǐng)了串聯(lián)復(fù)合基礎(chǔ)隔震裝置專(zhuān)利，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了條件［13］。另外，2000年后，我國(guó)陸續(xù)頒布了《層疊橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》（CECS126：2001）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）、《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ297-2013）、《建筑隔震工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（JGJ360-2015）等規(guī)范。這對(duì)于隔震技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐起到極大的促進(jìn)作用和指導(dǎo)作用，也標(biāo)志著我國(guó)的隔震技術(shù)逐漸走向成熟。

2 串聯(lián)式和并聯(lián)式組合隔震的特點(diǎn)

串聯(lián)式是將摩擦滑移板和橡膠隔震支座上、下串聯(lián)組成一個(gè)共同的彈性滑動(dòng)支座，布置于基礎(chǔ)層，如圖1（a）所示。并聯(lián)式是將摩擦滑移隔震支座和疊層橡膠隔震支座混合，并列布置于基礎(chǔ)層，如圖1 （b）所示。

圖1 組合隔震體系示意圖Fig．1 Schematic diagram of combined isolation system

2．1 組合隔震體系的工作原理

3．1．1 并聯(lián)式組合隔震體系的工作原理

在并聯(lián)組合隔震體系中，建筑物總的荷載是由橡膠支座和摩擦滑移支座共同承擔(dān)的。假定建筑物總的豎向荷載為N，地震前所有的橡膠支座承擔(dān)的豎向荷載為N1，所有摩擦滑移支座承擔(dān)的豎向荷載為N2，則N=N1+N2。

根據(jù)橡膠隔震支座雙線性滯回曲線模型［14］，在地震作用下，單個(gè)橡膠支座的屈服剪力Q1與初始剛度K1和屈服變位δy有關(guān)。橡膠支座總的屈服力計(jì)算如式（1）所示。

若假定摩擦滑移支座的材料摩擦系數(shù)μ不變，則在地震作用前，摩擦滑移支座總的摩擦力Q2= μN(yùn)2。

在小震作用下，當(dāng)?shù)卣鹚郊羟辛π∮赒2時(shí)，摩擦滑板支座不產(chǎn)生滑移，橡膠支座不發(fā)生側(cè)移，也未發(fā)揮隔震耗能作用。此時(shí)，自振周期和耗能與普通建筑沒(méi)有區(qū)別，也沒(méi)有體現(xiàn)組合隔震的優(yōu)越性。當(dāng)?shù)卣鹱饔盟郊羟辛Υ笥赒2時(shí)，摩擦滑板開(kāi)始起滑，橡膠支座和摩擦滑板支座共同發(fā)揮作用，且共同發(fā)生側(cè)向位移，橡膠支座能有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期和為摩擦滑板提供復(fù)位力的作用。但是，隨著橡膠發(fā)生側(cè)向位移，其有效的承壓面積減小，豎向荷載在橡膠支座和摩擦滑板支座之間出現(xiàn)內(nèi)力重分布，橡膠支座部分卸載，摩擦滑板支座則承受此部分荷載。由式（1）可知，摩擦滑板支座提供的摩擦力增大，橡膠支座自身的黏滯阻尼性和提供的恢復(fù)力會(huì)促使摩擦滑板支座往復(fù)摩擦，共同消耗地震能量，從而使整個(gè)組合隔震體系的耗能能力增強(qiáng)。

3．1．2 串聯(lián)式組合隔震體系的工作原理

在小震作用下，地震剪力小于摩擦滑板總摩擦力Q2，摩擦滑板不滑動(dòng)，不會(huì)起到耗能的作用，只相當(dāng)于普通的受力構(gòu)件。此時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)如同純橡膠隔震支座一樣，能起到一定的隔震作用，其耗能與橡膠支座的水平剛度和等效黏滯阻尼有關(guān)。當(dāng)?shù)卣鹱饔昧Υ笥谀Σ粱蹇偰Σ亮2時(shí)，摩擦滑板開(kāi)始滑動(dòng)，如果摩擦滑板不帶限位功能，此時(shí)隔震層的剪切力相當(dāng)于摩擦滑板的摩擦力，橡膠支座所受剪切變形和最大剪力得到控制，使橡膠支座得到可靠的保護(hù)。如果摩擦滑板帶有限位功能，則摩擦滑板和橡膠支座共同耗能。但滑板滑動(dòng)之后，由于沒(méi)有其他設(shè)備提供復(fù)位力，地震作用結(jié)束后，隔震層將保留殘余位移。這對(duì)于橡膠支座的受力是不利的。

3．1．3 串聯(lián)式與并聯(lián)式組合隔震體系的比較

在小震和大震作用下，2種組合形式的隔震體系的工作原理是不同的。從施工和造價(jià)方面來(lái)考慮，并聯(lián)組合隔震系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)自重是由2種支座共同承擔(dān)的。與純橡膠隔震相比，它可減少橡膠墊的數(shù)量或尺寸，降低隔震層的造價(jià)；與純滑移隔震相比，在達(dá)到相同的抗震效果的前提下，它可降低對(duì)摩擦材料的要求，采用普通的石墨、滑石粉等即可滿(mǎn)足要求。因此，并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)的造價(jià)一般介于層疊橡膠隔震結(jié)構(gòu)和摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)之間。對(duì)于相同的建筑，串聯(lián)隔震體系比并聯(lián)隔震體系所用的隔震支座多，不論一體式串聯(lián)隔震支座還是分層式串聯(lián)隔震支座，對(duì)于制作的精度要求都比較高，構(gòu)造復(fù)雜，因而會(huì)增加造價(jià)。因此，對(duì)一般的建筑，宜優(yōu)先考慮選用并聯(lián)式組合隔震體系。

2．2 組合隔震結(jié)構(gòu)阻尼比

結(jié)構(gòu)受到外部動(dòng)荷載作用時(shí)，由于結(jié)構(gòu)和材料的非線性特性及彈塑性變形而吸收和消耗動(dòng)荷載的性質(zhì)稱(chēng)為阻尼。隔震結(jié)構(gòu)阻尼比的大小是衡量組合隔震結(jié)構(gòu)隔震效果的重要指標(biāo)。在串聯(lián)和并聯(lián)組合隔震體系中，摩擦阻尼的大小與材料摩擦系數(shù)及摩擦支座所負(fù)擔(dān)的結(jié)構(gòu)重量比例β有關(guān)［14～15］。設(shè)摩擦隔震支座在滑動(dòng)開(kāi)始時(shí)的屈服位移為Xy，隔震層屈服剪切力為Qy，隔震層滯回曲線如圖2所示。

摩擦滑移板滑動(dòng)后，隔震層的水平剛度K1、屈服位移Xy、屈服剪切力Qy的計(jì)算式如式（2）～式（4）所示。

圖2 隔震層恢復(fù)力曲線Fig．2 The curve of isolation layer resilience

式中：K0為初始隔震層水平剛度；μ為摩擦隔震支座的摩擦系數(shù)；M為隔震層以上建筑的總質(zhì)量；K2為摩擦隔震支座滑動(dòng)前的水平剛度。

由式（2）～式（4）可知，摩擦滑移支座摩擦系數(shù)μ確定以后，β值對(duì)屈服剪切力的大小有較大影響。即，組合方式對(duì)于β值有直接影響，進(jìn)而影響隔震層的屈服剪力。

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)等效阻尼比的計(jì)算式如式 （5）所示。

式中：ξeg為隔震結(jié)構(gòu)的等效阻尼比；△A為滯回環(huán)一周的面積，kN·mm；A為隔震層的彈性應(yīng)變能，kN·mm；Ke為隔震層的等效剛度；Qs為組合隔震支座的最大靜摩擦力，kN。

由式（5）可得出串聯(lián)組合隔震體系隔震層的等效阻尼比，如式（6）所示。

由式（6）可知，等效阻尼是水平位移X的函數(shù)，與隔震層屈服剪力、屈服位移、水平剛度等因素有關(guān)。由于串聯(lián)組合隔震滑移屈服時(shí)變形量較大，所以串聯(lián)組合隔震體系在位移較小時(shí)的等效阻尼比較并聯(lián)組合隔震體系大，有利于在小震時(shí)獲得較好的隔震效果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于并聯(lián)組合隔震體系的研究成果較多，對(duì)于串聯(lián)組合隔震體系研究相對(duì)滯后。

（2）從隔震原理和等效阻尼比計(jì)算來(lái)看，串聯(lián)組合隔震體系在小震時(shí)的隔震效果優(yōu)于并聯(lián)式，但是在大震時(shí)，串聯(lián)隔震體系底部位移較大，易使結(jié)構(gòu)受力，趨于不利。

（3）串聯(lián)組合隔震支座的制作精度要求較高，構(gòu)造復(fù)雜，使用數(shù)量也比較并聯(lián)組合隔震體系多。因此，串聯(lián)組合隔震體系造價(jià)相對(duì)較高。這也限制了其在工程中的運(yùn)用。

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[責(zé)任編輯 楊明慶]

TU352．1

B

10．13681／j．cnki．cn41-1282／tv．2017．02．010

2016-10-29

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年基金項(xiàng)目：基礎(chǔ)組合隔震體系隨機(jī)地震反應(yīng)分析（2015QNKY007）。

楊利國(guó)（1984-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，助教，主要從事高校巖土工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究工作。