滑移隔震限位裝置的力學(xué)性能和選型研究*

張 慧 張 超

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

1 滑移隔震的基本原理

滑移隔震是在基礎(chǔ)和建筑上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一個附著低摩擦材料的滑移面，在地震發(fā)生時允許建筑上部結(jié)構(gòu)相對基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的傳遞，達到削弱地震作用的目的。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的滑移。當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_到一定的強度時，上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[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(chǎn)生共振的問題?；聘粽鹧b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(fēng)時，隔震層具有足夠的初始水平剛度，隔震層不出現(xiàn)滑移，此時隔震結(jié)構(gòu)為“剛性”結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生水平位移，上部結(jié)構(gòu)正常使用。當(dāng)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(jié)構(gòu)從“剛性”結(jié)構(gòu)體系變成“柔性”結(jié)構(gòu)體系，隔震層剛度明顯減小，結(jié)構(gòu)的自振周期變長，降低了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

（2）復(fù)位特性。震后隔震裝置限制結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生過大的殘余變形，具有一定的彈性恢復(fù)能力，確保結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)隔震效果的一個重要因素是滑移量?；屏窟^大，將會增加結(jié)構(gòu)復(fù)位難度，且增加結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造的難度，如水暖管道的設(shè)置。目前控制滑移量有兩種方法：①設(shè)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(shù)，增加了隔震層的初始剛度，減小了結(jié)構(gòu)基底的滑移量，但也降低了滑移隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果，使得上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)與限位裝置的硬碰撞，嚴(yán)重者可引起結(jié)構(gòu)傾覆，危害結(jié)構(gòu)安全；②軟碰撞限位。位移越大，限位裝置的剛度越小，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有良好的隔震效果。因此，學(xué)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(huán)、反彎受控彈塑性阻尼器、軟鋼實體圓錐棒、復(fù)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(zhuǎn)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?。虎巯尬谎b置出現(xiàn)側(cè)向變形時，不會在豎向產(chǎn)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(xué)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(xué)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(tài)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(dāng)受力最大截面出現(xiàn)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(yīng)的割線剛度，初始剛度是U 型帶片進行彈性復(fù)位和限位的重要指標(biāo)。通過設(shè)計及分析確定合理的初始剛度，確?；聘粽鸾Y(jié)構(gòu)在遭遇地震烈度為8 度以下地震作用時能夠自動進行復(fù)位。若結(jié)構(gòu)承受地震烈度為8度以上地震作用時，U型帶片出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但震后結(jié)構(gòu)需要人工進行復(fù)位。

3.2 抗疲勞性能

為了研究U 型帶片的抗疲勞性能，設(shè)計了兩組試件的低周反復(fù)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(huán)加載，其疲勞次數(shù)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(fù)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(shù)據(jù)分析，當(dāng)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(shù)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(jù)

（1）基底最大剪力的計算

圖4為基礎(chǔ)滑移隔震層骨架曲線。由圖4可知，滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層先后經(jīng)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(dǎo)得到隔震層基底最大剪力F0[4]。

圖4 基礎(chǔ)滑移隔震層骨架曲線

式中G為上部結(jié)構(gòu)的總重力荷載；μ為滑動面摩擦系數(shù)；Py為限位裝置的屈服力；

對公式（1）推導(dǎo)：

式中η表示限位裝置與摩擦力的匹配關(guān)系，其數(shù)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(jié)構(gòu)的基底最大滑移量計算公式：

式中m為上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；K1為隔震層彈性剛度；a為與限位裝置有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)U型帶片個數(shù)n=2時，a=13.2；當(dāng)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(jù)結(jié)構(gòu)特點、場地類別以及地震背景等設(shè)計要求，確定摩擦材料及其摩擦系數(shù)μ的取值。根據(jù)目前通用的規(guī)范設(shè)計方法，進行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定上部結(jié)構(gòu)的布置方案，根據(jù)所用的建筑材料，計算得到上部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量m。通過相關(guān)試驗和有限元模型分析，確定滑移隔震結(jié)構(gòu)基底最大滑移量Smax。

（2）對隔震層限位裝置進行布置設(shè)計，確定限位裝置個數(shù)，并通過公式（3）確定與阻尼有關(guān)的系數(shù)a。在公式（4）中，Smax和a已經(jīng)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(shù)為Py和K，這兩個指標(biāo)為限位裝置的關(guān)鍵參數(shù)，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(shù)，帶入公式（1）中，可得基底最大剪力F0，F(xiàn)0和滑移隔震結(jié)構(gòu)總水平地震作用FEK相等。由于滑移隔震結(jié)構(gòu)基本振型具有近似平動的特征，可近似按集中于質(zhì)點的重力荷載代表值分配得到作用于質(zhì)點的水平地震作用，如公式（5）所示。FEK值不應(yīng)低于對應(yīng)的非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時的總水平地震作用。

式中Gi、Gk分別為集中于質(zhì)點i、k的重力荷載代表值；Fik為作用質(zhì)點的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值；Vik為第i層層間剪力標(biāo)準(zhǔn)值。

（5）通過步驟（4）計算得到上部結(jié)構(gòu)各層層間剪力，再通過步驟（1）的上部結(jié)構(gòu)布置方案，計算出各層層間剛度。根據(jù)各層層間剪力和層間剛度，得到各層層間位移?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）對最小地震剪力、最大層間位移設(shè)定了相關(guān)的限值，對計算得到的各層層間剪力和層間位移應(yīng)進行驗算，符合要求后進行上部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計。

（6）若步驟（5）中的相關(guān)驗算沒有達到要求，應(yīng)重新進行步驟（1）～（5），直到滿足相關(guān)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(shù)，即限位裝置的彈性剛度K和限位裝置的屈服力Py?；赨 型帶片力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)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(jié)構(gòu)隔震層的設(shè)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(yīng)滿足下列要求：①各型號限位裝置應(yīng)進行材性試驗，具有明確的力學(xué)性能指標(biāo)，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(jié)構(gòu)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(yīng)涉及限位剛度各區(qū)段，以便對隔震層優(yōu)化，找出最優(yōu)的限位剛度區(qū)段；④各型號限位裝置的尺寸參數(shù)應(yīng)有所區(qū)別，以便分析尺寸參數(shù)對其荷載、剛度及耗能的影響?；谙尬谎b置選型步驟，經(jīng)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(jié)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?；诨聘粽鸾Y(jié)構(gòu)基底最大剪力、基底最大滑移量的計算方法，推導(dǎo)了限位裝置的選型依據(jù)，給出了限位裝置選型的步驟。結(jié)合U型帶片力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)，提出了軟鋼U型帶片的選型表。