并联组合基础隔震结构耗能的探讨

并联组合基础隔震结构耗能的探讨

摘要：在汶川震后重建中，隔震技术运用较多；隔震装置主要有：滑板支座、叠层橡胶支座和阻尼器；把各种不同的隔震装置有效的组合在一起，可发挥各自的优点，起到良好的隔震效果。

关键词：隔震技术；滑板支座；叠层橡胶支座

中图分类号：tu97文献标识码：a 文章编号：

1引言

20世纪50年代housner就提出了能量分析的概念，地震对结构的作用实质上就是能量的输入、转化和耗散的过程，基础隔震结构作为结构被动控制的一种，其主要原则就是通过隔震的设置来减小地震输入给上部结构的能量，主要利用隔震支座的非线性变形来耗散一部分能量和延长结构的周期来实现的，也有学者提出隔震层有滤波效应才使得上部结构的输入能减小，结构的输入能与很多因素都有关，如地震动特性、结构自身动力特性和场地条件等等。对于隔震结构来说，在分析上部结构处于弹性状态能量耗散的较少，结构的动力特性又与隔震层的设置有关，所以，本文仅研究了滑移隔震和组合隔震时，在铅芯橡胶支座确定的情况下摩擦滑板支座的摩擦系数对结构输入能的影响。

2 模型概况

结构为一个拟建在8度地区的6层矩形框架结构，层高3.3m，梁、板的混凝土取c30，柱子的取c30；柱尺寸：400x400mm，梁：

300x600mm，板厚80mm。结构规则，质量中心坐标为（18m，7.5m），

上部结构结构的偏心距为0。

利用sap2000建立结构的模型，上部结构采用梁单元和膜单元来模拟梁、柱和楼板，采用刚性楼板假定，隔震支座分别采用sap2000中rubber isolator和friction isolator单元模拟。时程分析时选用了两条实际记录的地震波，el centro波和taft波。

铅芯橡胶支座的型号为gzy400-80，直径为400mm，初始刚度为4.67x106 n/m，屈服后刚度为5.69x106 n/m，屈服力为4.19x104 n；滑板摩擦系数分别取0.02、0.06、0.1、0.14、0.18、0.22。编号1、2、6、7、8、9、10、11、15、16、17、18处设置gzy400-80型号铅芯橡胶支座，其它处设置摩擦滑板支座。

3 计算与分析

在sap2000运行分析结束后，程序可以输出隔震结构的地震输入能量、结构动能、以及滞回耗能。

3.1隔震结构的输入能

图2el波作用下隔震结构的输入能图3taft波作用下隔震结构的输入能

3.2 隔震层的滞回耗能

图4el波作用下隔震层滞回耗能图5taft波作用下隔震层滞回耗能

sap2000进行隔震结构的非线性分析时，用双向线性回复力模型来模拟隔震支座的，其滞回耗能是通过隔震的滞回曲线得到的。在el波作用下，组合隔震和滑移隔震结构的隔震层的滞回耗能都随着

摩擦系数的增大而有所降低，但降低幅度不明显；在taft波作用下，隔震层的滞回耗能随着摩擦系数的增大而有所增大。在两个图能量与摩擦系数曲线都比较平缓，说明摩擦系数的变化对两种隔震结构的滞回耗能影响不是很大，并且可以发现，上图中的曲线大致呈“凸”型，即摩擦系数取0.02～0.22中某一值时可使得隔震层的滞回耗能相对最大，对于滑移隔震时这一规律更加明显；另外，对比滑移隔震和组合隔震的滞回耗能曲线可知，摩擦系数在0.02～0.22时组合隔震结构的隔震层滞回耗能都比滑移隔震的要大。3.3 耗能比

图6el波作用下隔震结构的耗能比图7taft波作用下隔震结构的耗能比

这里的耗能比指的是隔震结构的隔震层滞回耗能与结构输入能之间的比值。由能量原理可知，对于隔震结构来说，隔震层滞回耗能与结构输入能的比值越大，则说明在地震作用下上部结构的地震反应可能就比较小，另为，这个比值也可以反应隔震层耗能能力的大小。

由图6、7可以看出，无论是滑移隔震还组合隔震结构中，随着摩擦系数的增大，结构的耗能比都将逐渐减小，即隔震结构的输入能与隔震层的滞回耗能的差值曾大，上部结构的反应将增大，滑移隔震时的耗能比降低的幅值要比组合隔震时的大。当摩擦系数大于0.06时，组合隔震的耗能比值都比相同摩擦系数下的滑移隔震的大，说明在摩擦滑板支座的摩擦系数相对较高的情况下，组合隔震

更有利于提高隔震层的滞回耗能能力；而当摩擦系数小于0.06时，滑移隔震反而更有利于提高隔震层的滞回耗能能力。在这里滑移隔震结构和组合隔震结构的上部结构完全一样，可认为在地震中上部结构阻尼耗散的能量基本相等，在摩擦滑板支座的摩擦系数相同下，通过对比el波和taft波作用下的耗能比，可知，在摩擦系数较大时，采用组合隔震时对上部结构的地震反应降低最显著。

3.4支座力-位移曲线

下图8、9分别表示的是组合隔震中铅芯支座和摩擦滑板支座的滞回曲线，此组合隔震结构在两个主轴方向上分别输入el波的南北分量和东西分量，由于隔震支座力和位移存之间的双向耦合作用的影响，因此，铅芯支座和摩擦滑板支座在x、y向上的滞回曲线并不是很规则。通过计算图中曲线所围成的面积，可以得出支座的滞回耗能的多少，经计算得：铅芯支座在x向耗能为43kn·m，y

向耗能为22kn·m；滑板支座在x向耗能为52kn·m，y向耗能为30kn·m，可知，在组合隔震中的铅芯支座也发挥了滞回耗能的特性，只不过此时的铅芯支座耗能能力要比摩擦滑板支座的耗能能力小；若组合隔震中设置的是普通橡胶支座，由于其没有耗能能力，所以摩擦滑板支座将主要起到滞回耗能的作用。

图8铅芯橡胶支座的滞回曲线

图9铅芯橡胶支座的滞回曲线

4 结论

摩擦滑板支座的摩擦系数的变化对两种隔震结构的绝对加速度

影响都很大，在小摩擦系数下，结构绝对加速度降低幅度较大，而在高摩擦系数下，结构顶层的最大绝对加速度与抗震结构接近，隔震效果不明显。另为，通过对滑移隔震结构和组合隔震结构耗能比的比较，发现组合隔震结构的隔震层耗能能力更好。在实际组合隔震工程应用中铅芯橡胶支座设置的数量较少，这时影响组合隔震效果的主要因素是摩擦滑板支座的摩擦系数的选取。

参考文献

[1] 周福霖．工程结构减震控制[m]．北京：地震出版社，1997．

[2] 党育，杜永峰，李慧．基础隔震结构设计及施工指南[m]．北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007．

[3] 李宏男，李忠献，祁皑，贾影. 结构振动与控制[m]．北京：中国建筑工业出版社，2005．

作者简介：王道文，男（1985年11月——）硕士，工程师。