滑移隔震结构设置连接摩擦阻尼器的地震反应研究

邹 爽，井上范夫，五十子幸树

（1.广州大学工程抗震研究中心，广州 510006；2.日本东北大学工学研究科，宫城 仙台 9808579；3.日本东北大学灾害科学国际研究所，宫城 仙台 9808579）

滑移隔震结构设置连接摩擦阻尼器的地震反应研究

邹 爽1，井上范夫2，五十子幸树3

（1.广州大学工程抗震研究中心，广州 510006；2.日本东北大学工学研究科，宫城 仙台 9808579；3.日本东北大学灾害科学国际研究所，宫城 仙台 9808579）

针对罕遇地震作用下，滑移隔震结构滑移量过大控制力不足的问题，提出了带有连接部件，控制滑移隔震结构过大滑移量的被动控制装置-连接摩擦阻尼器。研究滑移隔震结构附加连接摩擦阻尼器时的地震反应情况，并通过实际算例分析表明：滑移隔震结构附加连接摩擦阻尼器能够在不削弱滑移隔震支撑对中小地震控制效果的基础上，有效地控制大震以及罕遇地震作用时，隔震层的最大滑移量和上部结构的响应加速度。验证了滑移隔震结构附加连接摩擦阻尼器的有效性和适用性。

基础隔震，滑移隔震，摩擦阻尼器，地震反应，滑移

0 前言

基础隔震技术是近年来一种发展较快的抗震技术[1-6]。因其经济、适用和安全可靠的抗震控制措施，在国内外得到了广泛的工程应用和发展。基础隔震技术是基于耗能和滤波原理来阻断或减少地震波向上部结构传播的被动控制系统[7]。其中，基础滑移隔震技术因其具有简单易行、造价低廉受地面运动频率的影响较小，几乎不发生共振现象；发生滑移位移后，不影响竖向承载能力、减小上部结构的层间相对位移和内力等优点，而得到广泛的认可和长足的发展，形成了结构控制的新趋势。基础滑移隔震的基本原理是在建筑物的上部结构与基础之间设置滑移隔震装置及限位装置组成的隔震层；当发生一定强度的地震时，上部结构相对于基础整体水平滑动，通过隔震层的滑动隔离传向上部的地震力，限制由基础传递到上部结构的摩擦力及输入上部结构的地震能量，通过隔震层的位移变形，大大减小了上部结构的地震反应[8-13]。但是，建筑物底部提供的摩擦力有限，当发生超过设防标准的大地震时，滑移隔震建筑的隔震层会发生过大的位移，甚至导致隔震主体结构与周围维护结构发生碰撞破坏[14-16]。2011年日本东北大地震中，观测到的最大隔震层位移达到0.335 m，超过设计中规定的0.300 m的隔震层预留安全距离[17]。滑移量过大，对于滑移隔震系统来说，其负面问题就显得特别关键，从而造成了滑移隔震体系难以推广应用。

本文旨在分析滑移隔震结构隔震层滑移量过大导致负面问题产生的原因，介绍用于控制过大滑移量产生的连接摩擦阻尼器，研究滑移隔震结构附加连接摩擦阻尼器时的地震反应情况，并通过实际算例验证滑移隔震结构附加连接摩擦阻尼器的有效性和适用性。

1 隔震层的衰减特性

1.1 模型的建立

隔震体系的力学模型近似描述在一定条件下隔震体系的动力特性。隔震体系模型化的主要依据是结构的整体变形特点、弹塑性动态分析的研究经验和实验研究的结果。本节主要研究隔震层响应位移与隔震层控制效果的关系。由于隔震建筑上部结构的层间位移相对于隔震层位移而言很小，因此，本节研究中忽略上部结构的影响，将隔震层上部结构简化为单质点系，选用1个自由度模型，见图1，并对该模型进行如下假定：

（1）将隔震体系上部结构视为线弹性体。

（2）仅考虑水平方向地震作用，结构发生剪切变形。

（3）忽略动力作用对建筑基底与基础之间的摩擦系数的影响，将其视为常量，并符合库伦摩擦力定律。

图1 分析模型Fig.1 Analysis model

1.2 隔震层的衰减特性

如图1所示的滑移隔震分析模型中，隔震层由滑移隔震支撑和恢复力材料构成。地震发生时，安装在隔振层中的滑移隔振支撑和恢复力材料发挥衰减作用。假定滑移隔震支撑的初始刚度无限大，隔震层的衰减特性可用刚塑性恢复力模型表示，见图2，基于此可求得隔震层对整体结构的等价衰减系数heq。

图2 滑移隔震层刚塑性模型Fig.2 Rigid-plastic model of slip isolation layer

将式（2）、（3）、（4）、（5）带入式（1）可得

根据式（6）可绘制等价黏性衰减系数与隔震层位移的变化关系，见图3。由图可知隔震层的等价黏性衰减系数随着隔震层位移变大而逐渐降低。因此，随着隔震层位移的增大，滑移隔震支撑对整体的控制作用不足的缺陷也被放大，甚至会引起上部结构与周围维护结构之间发生碰撞破坏。这也是造成了滑移隔震体系难以推广应用的主要原因之一。

2 连接摩擦阻尼器的提出[18]

为了弥补超过设防的罕遇大地震作用时，滑移隔震结构隔震层控制力不足的缺陷，一味地增大隔震层的衰减性能，又会增大上部结构的响应加速度，降低滑移隔震在中小地震作用下的控制性能。针对这一矛盾，2009年日本东北大学井上教授等人研发了一种带有连接部件，控制罕遇地震作用时，滑移隔震层发生过大位移的被动控制装置-连接摩擦阻尼器（以下称FDC），见图4。

图3 隔震层等价衰减系数Fi.3 Equivalent attenuation coefficient isolation layer

FDC由摩擦和连接两部分组成。摩擦部分由内部摩擦拉杆、摩擦套筒以及两侧螺旋弹簧构成。内部摩擦拉杆和摩擦套筒之间的相互摩擦产生摩擦力。可以人为调节摩擦套筒紧箍内部摩擦拉杆的程度来调节摩擦力的大小。两侧螺旋弹簧提供连接时的弹性初始刚度，缓冲由于连接而产生的冲击作用。连接部分是由外部拉杆和内部摩擦拉杆构成。FDC一旦连接非人力作用连接不再断开。阻尼器的连接距离可人为设定。

图4 FDC构造图Fig.4 Structure of FDC

FDC在整个工作过程中分为2个阶段。

（1）连接前：FDC变形小于设定连接距离Ls，FDC不发挥作用，见图5a。

（2）连接后：当FDC的变形超过设定连接距离Ls时，见图5b，外部拉杆和内部摩擦拉杆发生连接，并传递内部摩擦拉杆上产生的摩擦力。当内部摩擦拉杆上产生力的作用时，首先摩擦部分的2根螺旋弹簧发生伸缩，发挥弹性恢复力的作用。当内部摩擦拉杆上产生的作用力大于摩擦部分设定的摩擦力Fd时，摩擦套筒和内部摩擦拉杆之间开始发生相对滑动，产生摩擦力。基于此工作原理，FDC具有如图6所示的完全弹塑性的恢复力特征，并能够缓解由于FDC发生连接而产生的冲击作用，抑制高频振动的响应。

3 连接摩擦阻尼器附加振动反应算例分析

通过算例分析连接摩擦阻尼器附加振动反应特征，目的是探讨连接摩擦阻尼器对滑移隔震结构地震响应的控制效果，进而证明连接摩擦阻尼器的有效性和适用性。

3.1 计算模型

取某4个质点滑移隔震体系分析，见图7。各质点质量、水平侧移刚度，见表1。上部结构的黏性衰减系数均为3%，隔震层预留安全距离0.35 m。滑移隔震支撑的摩擦系数为0.04，固有周期为4.06 s。

解析模型的振动特性见图8。图8a所示为解析模型的振型系数，图8b所示为各阶振型的参与系数。FDC的刚度Kd=1012.7 kN/m，摩擦力Kd=34.3 kN，设定连接距离Ls=0.104 m。模型的建立满足1.1节中的假定。

图5 FDC构造图Fig.5 FDC mechanism

图6 FDC的力学模型Fig.6 Restoring force model of the FDC

图7 解析模型Fig.7 Analytical model

3.2 输入地震动

表1 解析模型各层的质量、刚性Table 1 The quality,rigidity of each layer of analytical model

图8 振动特性Fig.8 Mode characteristics

地面输入激励见表2。输入地震动采用4条实测地震波和具有相应地震特征的5条合成地震波。5条合成地震波是将Ⅱ类场地的抗震设计反应谱（5%阻尼比）赋予相应实测地震记录的相位特性得到的。将实测地震波中的El-Centro波、八戸波、Taft波分别调幅为PGV=0.25 m/s作为多遇地震来考虑，PGV=0.50 m/s作为设防地震来考虑，PGV=0.75 m/s作为罕遇地震来考虑。5条合成地震波作为大震来考虑。2011年采集到的东日本大地震MYG006原始地震记录作为罕遇地震来考虑。图9所示为5条合成地震波的加速度反应谱。以下的解析中，分别输入以上所述多遇地震、设防地震和罕遇地震动进行时程响应分析，对各地震动输入情况下结构的最大响应值进行评价。地震时程响应分析采用Newmark-β法中β=1/4的平均加速度法。

图9 拟加速度反应谱Fig.9 Acceleration response spectrum of artificial ground motion

3.3 解析结果

3.3.1 隔震层等价黏性衰减系数

图10所示为按照公式（6）忽略上部结构多质点的影响，将隔震层上部结构简化为单质点系求得的滑移隔震结构和滑移隔震结构附加FDC2种情况下，隔震层的等价黏性衰减系数与隔震层位移的关系。由图10可知，当隔震层位移达到FDC连接距离0.10m时，FDC开始发挥作用，隔震层的等价黏性衰减系数由原来的39%增加到49%。在隔震层与周围维护结构预留安全距离0.35m处，隔震层的黏性衰减系数增加了60%。

表2 输入地震动Table 2 Input ground motion

图10 等价黏性衰减系数-隔震层位移关系Fig.10 The relationship between equivalent viscous damping coefficient and seismic isolation layer displacement

3.3.2 结构最大响应值

各地震输入时滑移隔震结构和滑移隔震结构附加FDC2种情况下，结构最大响应值如表3所示。中震作用时，FDC没有发生连接，结构的最大响应值没有变化。仅靠滑移隔震支撑就能起到较好的位移和加速度控制效果。大震作用时，FDC开始发挥作用，结构的最大响应位移被减小了24.7%，但是作为牺牲上部结构的最大加速度被放大了18.3%。罕遇地震作用时，由于滑移隔震支撑控制力不足，隔震层最大响应位移超过了隔震层与周围维护结构之间的预留安全距离，存在着与周围维护结构之间发生碰撞破坏的危险。而隔震层附加了FDC后，不仅隔震层最大响应位移被降低了13.0%，上部结构的最大响应加速度也被减小了19.4%。

3.3.3 时程响应曲线

图11所示为2011年东日本大地震输入时，滑移隔震结构和滑移隔震结构附加FDC2种情况下，结构的时程响应曲线。由图可知，在第87.5s时刻，隔震层的最大响应位移达到0.10 m，FDC发生连接开始发挥作用。此后，便与滑移隔震支撑共同发挥作用，不但将隔震层的最大响应位移控制在安全距离之内，顶层和隔震层的响应加速度也被有效地抑制。

表3 最大响应值Table 3 Analysis result

图11 地震响应时程曲线（东北大地震波输入）Fig.11 Time history

4 结语

针对滑移隔震结构随着隔震层位移量的增大，对整体的控制效果不理想的问题，本文介绍了用于控制滑移隔震结构隔震层过大滑移量的连接摩擦阻尼器的构造及工作原理，并通过实际算例分析表明，通过在滑移隔震层附加合适的连接摩擦阻尼器，能够在不削弱滑移隔震对中小地震控制性能的基础上，有效地控制大震和罕遇地震作用时，隔震层过大位移和上部结构响应加速度。验证了在滑移隔震结构隔震层附加连接摩擦阻尼器的有效性和适用性。

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Research on Seismic Responses of Friction Damper with Coupling Mechanism for Sliding Isolation Structures

ZOU Shuang1， INOUE Norio2， IKAGO Kohju3

（1.Earthquake Engineering Research Test Center， Guangzhou University， Guangzhou 510405 China；2.School of Engineering， TOHOKU University， Sendai 9808579， Japan； 3.International Research Institute of Disaster Science， TOHOKU University， Sendai 9808579， Japan）

In order to solve the problem， that slip excessive and inadequate control of sliding isolation structure when rare earthquake happen,a new device for controlling seismic displacement of sliding isolation structure by the means of a friction damper with coupling mechanism is created.Earthquake responses of sliding isolation structure with friction damper with coupling mechanism was researched.And through practical case study，that sliding isolation structure with friction damper with coupling mechanism can not weaken the control effect of sliding support for small earthquake，while controlling the maximum displacement of slip and the maximumacceleration of the upper structure for rare earthquake effectively.Verify that the sliding isolation structure with friction damper with coupling mechanism is effective and applicable.

Base-isolated structure； Sliding isolation； Friction damper； Seismic response； Sliding

TU311.3

A

1001-8662（2017）02-0086-07

10.13512/j.hndz.2017.02.014

邹 爽，井上范夫，五十子幸树.滑移隔震结构设置连接摩擦阻尼器的地震反应研究[J].华南地震，2017，37（2）：86-91.[ZOU Shuang，INOUE Norio，IKAGO Kohju.Analysis and design of the combined isolation in high-rise frame core tube structure near field earthquake zone of high intensity[J].South china journal of seismology，2017，37（2）：86-91.]

2017-03-23

广东省自然科学基金项目（2016A030310255）

邹爽 （1984-），女，博士，助理研究员，从事建筑减隔震研究。

E-mail：zoushuang_2015@163.com.