组合隔震体系的研究现状与特点分析

杨利国，宋艳清

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

组合隔震体系的研究现状与特点分析

杨利国，宋艳清

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

基础组合隔震结构是把不同的隔震装置配合起来使用，以取长补短，达到更好的隔震效果。橡胶隔震支座和摩擦滑移隔震支座的串联和并联是组合隔震体系最常用的形式，分析了其工作原理和等效阻尼比的计算方法，探讨了该隔震体系的隔震效果和工程应用价值。

橡胶垫隔震；摩擦滑移隔震；隔震结构；串联组合；并联组合；阻尼比

0 引言

地震是地球内部能量短时间的释放，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂等次生灾害。因此，地震会对人们的生命财产造成巨大威胁。减震防震研究对于地震多发的中国具有重要的意义。在各类抗震技术中，隔震技术因其构造简单、易于维护、减震效果明显等优点而引起广泛的关注。基础隔震技术研究已经成为当前研究和应用的热点［1～2］。

常用的基础隔震装置有橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚动装置隔震、阻尼器隔震、组合隔震等。基础组合隔震是将多种隔震装置按照一定的方式布置在建筑基础隔震层中。组合隔震体系能充分发挥隔震支座各自的优势，弥补不足。因此，组合隔震体系已经成为现代隔震技术发展的一个重要思路，其工程应用和推广仍值得进一步的研究。

目前，常用的组合隔震体系主要有橡胶支座与滑动摩擦支座组合、橡胶支座与摩擦摆支座组合、滚轴-橡胶组合支座、摩擦-碟簧组合支座等。在我国，橡胶支座的理论研究较为成熟，工程实践应用较多，因地震而发生的位移具有自我恢复能力，但是橡胶隔震支座造价相对较高。摩擦滑移支座性价比较高，但地震时不具有恢复力，隔震层水平位移较大。笔者综合考虑实际应用和造价等因素，试以最常用的摩擦滑移隔震支座与橡胶支座组合为研究对象，分析其串联式组合和并联式组合的特点，以期为后续研究和隔震的应用提供参考。

1 国内外研究现状

1．1 国外研究概况

国外最早提出隔震技术概念的是日本人河合浩藏。1881年，他以“滚轴”隔震的形式提出来“隔震”这一概念。其后，1906年，德国人J．Beehtofd提出“滚球”隔震形式。1909年，英国人J．A．Calantarients提出“滑动”隔震概念。1927年，日本人中村太郎提出“阻尼器”隔震概念，并将其应用于工程中。随后，“橡胶隔震支座”概念的提出进一步完善和丰富了隔震理论，为“组合隔震”的发展提供理论基础。从19世纪80年代起，各国的研究人员逐渐开展了组合隔震的相关理论研究和工程实践。1987年，Kelly发现，混合控制隔震结构兼具被动控制体系和主动控制体系的优点，抗震性能优良，是极具潜力的新一代隔震系统。随后，他对混合控制隔震结构的有效性、时滞补偿策略、最小变异控制等进行了研究［3］。Chalhoub和Kelly等提出了采用橡胶支座作为复位元件的组合摩擦隔震系统，并且对其进行了振动台试验研究［4］。试验结果表明，由橡胶支座和摩擦支座组成的组合隔震系统，摩擦支座具有良好的耗能能力，能够有效阻止能量向上部结构的传递。并且，橡胶支座可以使系统在震后良好复位。Franco Braga等对一低层住宅分别在橡胶隔震和并联隔震情况下的隔震性能测试结果显示，并联隔震结构设计满足规范要求［5］。Karavasilis等人通过对钢结构框架添加一种特制的弹性阻尼器以形成整个复合隔震系统，并对该种复合隔震系统的滞回特性用修正的力学模型进行了探讨［6］。Amadio等人通过建立框架结构模型进行了地震作用下的有限元分析，其结果表明，复合隔震装置可以有效降低滞回位移，起到隔震消能作用［7］。

1．2 国内研究概况

国内开展关于组合隔震体系的研究相对较晚。周锡元等以砌体房屋为例，研究了串联和并联组合隔震体系地震反应的基本特征，并给出了参数搭配和优化设计原则［8］。吕西林等针对并联复合隔震房屋模型振动台试验研究结果表明，复合隔震体系具有更为明显的优越性［9］。杨树标等通过对比研究非隔震结构、橡胶隔震结构、摩擦滑移隔震结构、并联组合隔震结构的隔震性能，得出通过合理的设计，复合隔震体系具有明显的优越性的结论［10］。李爱群等对并联基础隔震结构地震反应的一般特性和并联基础隔震体系隔震层参数的合理选择问题进行了相关探讨［11］。张富有等根据串联基础隔震结构的特点，给出了其等效阻尼、等效刚度的计算公式。他们将串联隔震支座设定为多个屈服剪力水平，得到了较好的等效阻尼。这一结果表明，选择合适的摩擦系数和2种支座的刚度比，可以得到性能较好的隔震结构［12］。倪国葳等从建筑物消能隔震控制角度进行了深入的研究，提出了一种串联复合基础隔震装置，并申请了串联复合基础隔震装置专利，为实际工程应用提供了条件［13］。另外，2000年后，我国陆续颁布了《层叠橡胶支座隔震技术规程》（CECS126：2001）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）、《建筑隔震工程施工及验收规范》（JGJ360-2015）等规范。这对于隔震技术的应用实践起到极大的促进作用和指导作用，也标志着我国的隔震技术逐渐走向成熟。

2 串联式和并联式组合隔震的特点

串联式是将摩擦滑移板和橡胶隔震支座上、下串联组成一个共同的弹性滑动支座，布置于基础层，如图1（a）所示。并联式是将摩擦滑移隔震支座和叠层橡胶隔震支座混合，并列布置于基础层，如图1 （b）所示。

图1 组合隔震体系示意图Fig．1 Schematic diagram of combined isolation system

2．1 组合隔震体系的工作原理

3．1．1 并联式组合隔震体系的工作原理

在并联组合隔震体系中，建筑物总的荷载是由橡胶支座和摩擦滑移支座共同承担的。假定建筑物总的竖向荷载为N，地震前所有的橡胶支座承担的竖向荷载为N1，所有摩擦滑移支座承担的竖向荷载为N2，则N=N1+N2。

根据橡胶隔震支座双线性滞回曲线模型［14］，在地震作用下，单个橡胶支座的屈服剪力Q1与初始刚度K1和屈服变位δy有关。橡胶支座总的屈服力计算如式（1）所示。

若假定摩擦滑移支座的材料摩擦系数μ不变，则在地震作用前，摩擦滑移支座总的摩擦力Q2= μN2。

在小震作用下，当地震水平剪切力小于Q2时，摩擦滑板支座不产生滑移，橡胶支座不发生侧移，也未发挥隔震耗能作用。此时，自振周期和耗能与普通建筑没有区别，也没有体现组合隔震的优越性。当地震作用水平剪切力大于Q2时，摩擦滑板开始起滑，橡胶支座和摩擦滑板支座共同发挥作用，且共同发生侧向位移，橡胶支座能有效延长结构自振周期和为摩擦滑板提供复位力的作用。但是，随着橡胶发生侧向位移，其有效的承压面积减小，竖向荷载在橡胶支座和摩擦滑板支座之间出现内力重分布，橡胶支座部分卸载，摩擦滑板支座则承受此部分荷载。由式（1）可知，摩擦滑板支座提供的摩擦力增大，橡胶支座自身的黏滞阻尼性和提供的恢复力会促使摩擦滑板支座往复摩擦，共同消耗地震能量，从而使整个组合隔震体系的耗能能力增强。

3．1．2 串联式组合隔震体系的工作原理

在小震作用下，地震剪力小于摩擦滑板总摩擦力Q2，摩擦滑板不滑动，不会起到耗能的作用，只相当于普通的受力构件。此时，隔震结构如同纯橡胶隔震支座一样，能起到一定的隔震作用，其耗能与橡胶支座的水平刚度和等效黏滞阻尼有关。当地震作用力大于摩擦滑板总摩擦力Q2时，摩擦滑板开始滑动，如果摩擦滑板不带限位功能，此时隔震层的剪切力相当于摩擦滑板的摩擦力，橡胶支座所受剪切变形和最大剪力得到控制，使橡胶支座得到可靠的保护。如果摩擦滑板带有限位功能，则摩擦滑板和橡胶支座共同耗能。但滑板滑动之后，由于没有其他设备提供复位力，地震作用结束后，隔震层将保留残余位移。这对于橡胶支座的受力是不利的。

3．1．3 串联式与并联式组合隔震体系的比较

在小震和大震作用下，2种组合形式的隔震体系的工作原理是不同的。从施工和造价方面来考虑，并联组合隔震系统由于结构自重是由2种支座共同承担的。与纯橡胶隔震相比，它可减少橡胶垫的数量或尺寸，降低隔震层的造价；与纯滑移隔震相比，在达到相同的抗震效果的前提下，它可降低对摩擦材料的要求，采用普通的石墨、滑石粉等即可满足要求。因此，并联复合隔震结构的造价一般介于层叠橡胶隔震结构和摩擦滑移隔震结构之间。对于相同的建筑，串联隔震体系比并联隔震体系所用的隔震支座多，不论一体式串联隔震支座还是分层式串联隔震支座，对于制作的精度要求都比较高，构造复杂，因而会增加造价。因此，对一般的建筑，宜优先考虑选用并联式组合隔震体系。

2．2 组合隔震结构阻尼比

结构受到外部动荷载作用时，由于结构和材料的非线性特性及弹塑性变形而吸收和消耗动荷载的性质称为阻尼。隔震结构阻尼比的大小是衡量组合隔震结构隔震效果的重要指标。在串联和并联组合隔震体系中，摩擦阻尼的大小与材料摩擦系数及摩擦支座所负担的结构重量比例β有关［14～15］。设摩擦隔震支座在滑动开始时的屈服位移为Xy，隔震层屈服剪切力为Qy，隔震层滞回曲线如图2所示。

摩擦滑移板滑动后，隔震层的水平刚度K1、屈服位移Xy、屈服剪切力Qy的计算式如式（2）～式（4）所示。

图2 隔震层恢复力曲线Fig．2 The curve of isolation layer resilience

式中：K0为初始隔震层水平刚度；μ为摩擦隔震支座的摩擦系数；M为隔震层以上建筑的总质量；K2为摩擦隔震支座滑动前的水平刚度。

由式（2）～式（4）可知，摩擦滑移支座摩擦系数μ确定以后，β值对屈服剪切力的大小有较大影响。即，组合方式对于β值有直接影响，进而影响隔震层的屈服剪力。

基础隔震结构等效阻尼比的计算式如式 （5）所示。

式中：ξeg为隔震结构的等效阻尼比；△A为滞回环一周的面积，kN·mm；A为隔震层的弹性应变能，kN·mm；Ke为隔震层的等效刚度；Qs为组合隔震支座的最大静摩擦力，kN。

由式（5）可得出串联组合隔震体系隔震层的等效阻尼比，如式（6）所示。

由式（6）可知，等效阻尼是水平位移X的函数，与隔震层屈服剪力、屈服位移、水平刚度等因素有关。由于串联组合隔震滑移屈服时变形量较大，所以串联组合隔震体系在位移较小时的等效阻尼比较并联组合隔震体系大，有利于在小震时获得较好的隔震效果。

3 结语

（1）国内外学者对于并联组合隔震体系的研究成果较多，对于串联组合隔震体系研究相对滞后。

（2）从隔震原理和等效阻尼比计算来看，串联组合隔震体系在小震时的隔震效果优于并联式，但是在大震时，串联隔震体系底部位移较大，易使结构受力，趋于不利。

（3）串联组合隔震支座的制作精度要求较高，构造复杂，使用数量也比较并联组合隔震体系多。因此，串联组合隔震体系造价相对较高。这也限制了其在工程中的运用。

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［3］ Kelly J M，Leitmann G，Soldatos A G．Robust control of base-isolated structures under earthquakes excitation ［J］．Journal of Optimization Theory and Application，1987，53（2）：159-180．

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［5］ Franco Braga，Michelangelo Laterza．Field testing of low-rise base isolated building［J］．Engineering Structures，2004，26：1 599-1 610．

［6］ Karavasilis T L，Sause R，Rides J M．Seismic Design and Evaluation of Steel MRFs with Compressed Elastomer Dampers［C］／／Proceedings of the 6th International Conference on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas，STESSA 2009，Philadelphia，PA，2009

［7］ C．Amadio，I．Clemente，L．Macorini and M．Fragiacomo．Seismic Behavior of Hybrid Systems Made of PR Composite Frames Coupled with Dissipative Bracings［J］．Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2008，37（6）：861-879．

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［14］张富有，刘汉龙，高玉峰．串联基础组合隔震体系的简化计算方法 ［C］／／第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，北京：科学出版社，2004：870-873．

［15］徐义，卢文胜．并联组合基础隔震体系的简化计算方法及试验分析［J］．结构工程师．2011，27（增）：294-299．

[责任编辑 杨明庆]

TU352．1

B

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

2016-10-29

黄河水利职业技术学院青年基金项目：基础组合隔震体系随机地震反应分析（2015QNKY007）。

杨利国（1984-），男，河南洛阳人，硕士，助教，主要从事高校岩土工程专业的教学与研究工作。