上下盘效应对摩擦滑移隔震结构动力响应影响

张 慧，张 超，肖青战，程兴旺

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

近年来，在我国境内相继发生了几次大的地震，说明我国很可能进入了一个新的地震活跃期。从2008年四川汶川发生的8.0级地震和2010年青海玉树发生的7.1级地震中获得了大量的近断层地震记录资料。近断层地震动具有方向性效应、速度脉冲效应、上下盘效应等，将显著改变近断层结构的动力响应并加重震害。有学者研究了上下盘效应对结构弹性及非弹性位移反应的影响，研究表明：下盘效应在长周期段对结构绝对位移的增大作用显著；而上盘效应在短周期段对结构绝对位移的增大作用显著；也有学者建立了12层短肢剪力墙结构的有限元模型，研究了近断层地震动的上盘效应、速度脉冲效应及方向性效应对高层短肢剪力墙结构地震响应的影响，研究表明：上盘效应和破裂方向性效应增大了短肢剪力墙结构的地震反应。研究了上盘效应、向前方向效应、脉冲效应及滑冲切效应对山区多层基础框架结构地震反应的影响。又有研究发现上盘地震动具有较大的能量输入和加速度峰值，并且在传播过程中使地面运动得到放大，对结构产生不利的影响。在对断层参数(如震级、断层倾角、土体剪切波速及上埋置深度等)对隔震结构动力响应的影响的研究表明：隔震结构在下盘地震动作用下的控制效果弱于上盘地震动。

综上所述，关于隔震结构上下盘效应研究较少，随着滑移隔震技术的不断推广应用，开展滑移隔震结构上下盘效应的研究显得尤为重要。本文以硫化钼(MoS)涂层材料作为摩擦材料，将U型带片作为限位消能元件，形成摩擦滑移隔震装置。建立一栋5层带有限位装置的摩擦滑移隔震结构计算模型，输入上盘地震动和下盘地震动，首先对地震动记录没做任何调整，研究真实地震动对结构的效应；其次结合当前抗震设计做法，对地震动加速度峰值调幅，研究上下盘地震动调幅后结构动力响应的分布规律；最后对比分析上下盘地震动加速度峰值调幅前后结构动力响应的变化规律，为近场区域带限位装置的摩擦滑移隔震结构的设计和评估提供参考。

1 工程概况

以一栋5层钢筋混凝土框架结构振动台试验原型作为计算模型，具体如图1所示。

图1 振动台试验模型Fig.1 Shaking table test model

从图1可知，该结构底层层高为4.2 m，2～5层层高为3.6 m。向和向均为2跨，跨距均为6 m。各层楼板厚度为100 mm，屋面板厚度为120 mm；1～5层主梁截面尺寸为300 mm×600 mm，1～5层次梁截面尺寸为200 mm×400 mm，基础框架梁截面尺寸为300 mm×600 mm；底层柱截面尺寸为750 mm×750 mm；2～5层柱截面尺寸为600 mm×600 mm。抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.15g，场地属Ⅱ类场地，地震分组为第1组，场地特征周期为0.35 s；上部结构阻尼比为0.05。结构所有构件采用混凝土强度等级为C30。屋面外围梁上作用女儿墙荷载为4 kN/m，楼面外围梁上填充墙荷载为10 kN/m；楼面恒荷载为5 kN/m，屋面恒荷载为7 kN/m；活荷载为2 kN/m，不上人屋面活荷载为0.5 kN/m。

2 滑移隔震装置的组成

本文采用带有限位装置的摩擦滑移隔震装置，具体如图2所示。

图2 摩擦滑移隔震装置示意图Fig.2 Schematic diagram of friction-slip isolation device

从图2可知，该摩擦滑移隔震装置由限位消能部件和滑移支承部件组成。限位消能部件是由A3钢板冷弯加工形成的U型钢片。滑移支承部件由3部分组成，即中间用低摩擦系数材料及上、下刚性支承板。其中低摩擦材料成分主要是二硫化钼(MoS)，相关试验表明：该材料的摩擦系数可最终稳定在0.04～0.05，本文将摩擦系数设定为0.05。

摩擦材料MoS是由中国科学院兰州物理化学研究所研制而成。MoS的晶体为层状结构的六方晶系，因此易于滑动，能够起到减小摩擦的作用。并且S原子和Mo原子间的离子键使得MoS润滑膜具有较高的强度，从而防止润滑膜在金属表面突出部位被穿透。MoS化学安定性较好，具有良好的抗酸性和抗辐射性。摩擦材料MoS的性能指标如表1所示。

表1 摩擦材料MoS2的性能指标Tab.1 Performance index of friction materials MoS2

3 有限元模型建立

将限位消能部件和滑移支承部件布置在隔震层，限位消能部件布置在结构向和向的上下基础梁之间，每边沿着基础梁下端布置3个U型带片限位消能部件。在基础顶部与每根底层框架柱下部之间布置滑移支承部件。图3为带限位装置摩擦滑移隔震结构平面布置图。

图3 带限位装置摩擦滑移隔震结构平面布置图Fig.3 Layout plan of sliding isolation structure with displacement limit device

对于摩擦滑移隔震装置的滑移支承部件，采用SAP2000中的Friction Isolator连接单元进行模拟，将Friction Isolator连接单元布置在每根底层框架柱下端，该连接单元不能承受轴向拉力。基于SAP2000提供的多段线性塑性连接单元对限位消能部件进行模拟。图4为带限位装置的摩擦滑移隔震装置限位消能部件骨架曲线示意图。

图4 限位消能部件骨架曲线示意图Fig.4 Skeleton curve of displacement-limited device

限位消能部件的具体参数为：屈服前刚度=383 N/mm，屈服后刚度为=90.5 N/mm；屈服力=10.06 kN，最大荷载=18.10 kN；屈服位移Y=26.24 mm，最大位移为=156.46 mm。

4 工况分析

本文选取上盘地震动TCU078和下盘地震动TCU110进行动力响应分析。地震动TCU078：断层距为8.27 km，持时为90 s，记录步长为0.005 s，峰值加速度(PGA)为439.7 cm/s，其加速度时程曲线如图5所示。地震动TCU110：断层距为14.16 km，持时为90 s，记录步长为0.005 s，PGA为176.2 cm/s；其加速度时程曲线如图6所示。

图5 上盘地震动TCU078加速度时程Fig.5 Acceleration time histories of hanging wall ground motion TCU078

图6 下盘地震动TCU110加速度时程Fig.6 Acceleration time histories of footwall ground motion TCU110

一方面对地震动记录没做任何调整，避免调整干扰，研究真实地震动对结构的效应；另一方面结合当前抗震设计做法，对地震动加速度峰值调幅，将TCU078、TCU110两条地震波的加速度峰值调整到310 cm/s，研究上下盘地震动调幅后结构动力响应的分布规律。

4.1 加速度反应对比

图7为上下盘地震动调幅前后结构的绝对加速度对比图。

调幅前

从图7可知，调幅前后带限位装置的摩擦滑移隔震结构楼层加速度反应随楼层高度增加均呈现出先减小后增大的“K”型分布。调幅前下盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度分别为：135.11、140.64 cm/s；上盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度分别为：132.74、110.33 cm/s；与上盘地震动作用下隔震层、顶层的加速度相比，下盘地震动作用下的隔震层和顶层的加速度分别增加了1.79%、27.47%，调幅前均是下盘的楼层加速度大于上盘的楼层加速度。文献[3]上下盘地震动的幅值谱可以解释这一原因，该隔震结构的自振周期为2.12 s，自振周期大于2.1 s时，下盘地震动的谱加速度略大于上盘地震动相应值。调幅后下盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度分别为：274.26、215.72 cm/s；上盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度分别为：120.69、95.10 cm/s；同理，与上盘地震动作用下隔震层、顶层的加速度相比，下盘地震动作用下的隔震层和顶层的加速度分别增加了127.24%、126.83%，调幅后也是下盘的楼层加速度大于上盘的楼层加速度。分析可知，调幅后上盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度相比调幅前分别降低了9.08%、13.80%。由此得出，调幅后上盘地震动作用下的楼层加速度响应有所减小，但减小的幅度并不明显，说明上盘地震动作用下的楼层加速度受到加速度峰值调幅的影响不是很显著。而调幅后下盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度相比调幅前有所增加，分别增加了102.99%、53.38%，调幅后下盘地震动作用下的楼层加速度增加幅度较大。

4.2 层间位移反应对比

图8为上下盘地震动调幅前后结构的最大层间位移反应对比图。

调幅前

从图8可知，调幅前后下盘地震动作用下的层间位移均大于上盘地震动作用下对应楼层的层间位移。调幅前下盘地震动作用下第1层和顶层层间位移分别为：9.71、8.02 mm；调幅后下盘地震动作用下第1层和顶层层间位移分别为：15.59、13.86 mm。由此可知，与调幅前相比，调幅后下盘地震动作用下的第1层和顶层层间位移均有所增加，分别增加了60.56%、72.82%。而调幅前上盘地震动作用下第1层和顶层层间位移分别为：1.68、2.80 mm；调幅后上盘地震动作用下第1层和顶层层间位移分别为：3.71、2.33 mm；调幅后上盘地震动作用下的第1层层间位移增加了120.83%，顶层层间位移减小了16.79%。由此可知，下盘地震动作用下的层间位移受到加速度峰值调幅的影响较大；而上盘地震动作用下层间位移受到加速度峰值调幅的影响与结构楼层有一定的关系。

4.3 层间剪力对比

图9为上下盘地震动调幅前后结构的最大层间剪力对比图。

调幅前

从图9可知，调幅前后带限位装置的摩擦滑移隔震结构楼层加速度反应均随楼层高度增加而减小；并且调幅前后下盘地震动作用下的层间剪力均大于上盘地震动作用下对应楼层的层间剪力。调幅前上盘地震动作用下第1层和顶层层间剪力分别为：677.45、154.95 kN；调幅后上盘地震动作用下第1层和顶层层间剪力分别为：584.11、122.75 kN；与调幅前相比，调幅后上盘地震动作用下的第1层和顶层层间剪力均有所减小，分别减小了13.78%、20.78%。调幅前下盘地震动作用下第1层和顶层层间剪力分别为：1957.62、356.25 kN。调幅后下盘地震动作用下第1层和顶层层间剪力分别为：3 197.10、578.81 kN；调幅后下盘地震动作用下第1层和顶层层间剪力均有所增加，分别增加了63.32%、62.47%。由此可知，调幅后上盘地震动作用下的层间剪力有所减小，但减小的幅度有限。而下盘地震动作用下层间剪力受到加速度峰值调幅的影响较大，各层层间剪力的增加幅度均较大。

5 结语

本文研究了带有限位装置的摩擦滑移隔震结构在上下盘地震动调幅前后结构楼层加速度、层间位移、层间剪力的变化规律，可以得出：

(1)调幅前后下盘地震动作用下的楼层加速度均大于上盘地震动作用下的对应楼层的加速度。调幅后上盘地震动作用下的楼层加速度响应有所减小；但减小的幅度并不明显，说明上盘地震动作用下的楼层加速度受到加速度峰值调幅的影响不是很显著。而调幅后下盘地震动作用下隔震层和顶层的加速度相比调幅前有所增加；

(2)调幅前后下盘地震动作用下的层间位移均大于上盘地震动作用下的对应楼层的层间位移。下盘地震动作用下的层间位移受到加速度峰值调幅的影响较大，而上盘地震动作用下层间位移受到加速度峰值调幅的影响与结构楼层有一定的关系；

(3)调幅前后下盘地震动作用下的层间剪力均大于上盘地震动作用下的对应楼层的层间剪力。调幅后上盘地震动作用下的层间剪力有所减小，但减小的幅度有限。而下盘地震动作用下的层间剪力受到加速度峰值调幅的影响较大，各层层间剪力的增加幅度均较大。