田 坤，李向民，王卓琳

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

0 引言

采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)時，通過設(shè)置具有較小剛度的隔震層延長結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。最早的隔震結(jié)構(gòu)為Pestalozzi小學(xué)[1]，該學(xué)校采用橡膠塊作為隔震裝置，但橡膠塊在結(jié)構(gòu)自重作用下壓縮變形較大，且橫向變形明顯。法國設(shè)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(xué)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(yīng)用[2]。隨后，眾多學(xué)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(yīng)用[12-15]。

水平隔震技術(shù)雖可有效減小結(jié)構(gòu)水平加速度響應(yīng)，但可能放大結(jié)構(gòu)豎向加速度響應(yīng)。在高烈度地區(qū)，尤其是震中附近，豎向地震動分量對結(jié)構(gòu)的破壞作用不可忽視。因此，可同時減小結(jié)構(gòu)水平、豎向加速度響應(yīng)的三維隔震技術(shù)應(yīng)運而生，對該技術(shù)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(guī)水平隔震結(jié)構(gòu)(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(fā)生提離失效等問題，研發(fā)新型自復(fù)位抗拉三維隔震支座。該支座由水平橡膠隔震支座和自復(fù)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(fù)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(guī)水平隔震結(jié)構(gòu)模型和采用新型自復(fù)位抗拉三維隔震支座的三維隔震結(jié)構(gòu)(簡稱3DISO)模型，并對比分析不同地震波作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

1 新型自復(fù)位抗拉三維隔震支座

新型自復(fù)位抗拉三維隔震支座構(gòu)造如圖1所示，豎向支座設(shè)有水平限位構(gòu)件，并通過構(gòu)造設(shè)計保證碟形彈簧處于壓縮狀態(tài)，為支座提供自復(fù)位恢復(fù)力，防止支座發(fā)生提離失效。在支座變形過程中，內(nèi)部構(gòu)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(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

圖1 新型自復(fù)位抗拉三維隔震支座構(gòu)造示意

2 有限元模型建立

為研究新型自復(fù)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(yīng)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(shè)置8層框架結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(yīng)譜

3 數(shù)值模擬結(jié)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(fù)位抗拉三維隔震支座可進一步減小上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)。

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(shù)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?。籋ISO豎向加速度響應(yīng)相對于地面顯著增大，而3DISO豎向加速度響應(yīng)相對于地面未出現(xiàn)顯著放大現(xiàn)象。

表3 HISO加速度放大系數(shù)

表4 3DISO加速度放大系數(shù)

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(jié)構(gòu)變形均表現(xiàn)為整體平動，水平位移峰值隨著樓層數(shù)的增加而增大；3DISO水平位移較HISO水平位移小。當結(jié)構(gòu)水平加速度響應(yīng)未出現(xiàn)顯著放大現(xiàn)象時，結(jié)構(gòu)水平位移可得到控制。

圖4 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tài)。

圖6 3DISO豎向荷載-位移滯回曲線

當?shù)孛娣逯导铀俣葹?.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(tài)，而3DISO三維隔震支座在 El-Centro，Superstition波作用下均未進入受拉狀態(tài)。

圖7 隔震支座豎向荷載時程曲線

4 結(jié)語

研發(fā)新型自復(fù)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(guī)水平隔震結(jié)構(gòu)模型與采用新型自復(fù)位抗拉三維隔震支座的三維隔震結(jié)構(gòu)模型，對比分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性，得出以下結(jié)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(yīng)相對于地面顯著減小，但豎向加速度響應(yīng)顯著增大；3DISO水平加速度響應(yīng)相對于地面顯著減小，減幅與HISO相當，但豎向加速度響應(yīng)相對于地面未出現(xiàn)顯著放大現(xiàn)象，可知3DISO豎向加速度控制效果優(yōu)于HISO。

3)HISO，3DISO上部結(jié)構(gòu)變形均表現(xiàn)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(fā)生過大水平位移而造成的剪切破壞。當結(jié)構(gòu)水平加速度響應(yīng)未出現(xiàn)顯著放大現(xiàn)象時，結(jié)構(gòu)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?shù)孛娣逯导铀俣葹?.6g時，HISO水平隔震支座在Superstition波作用下進入受拉狀態(tài)，而3DISO三維隔震支座在El-Centro，Superstition波作用下均未進入受拉狀態(tài)。