GFRP叠层橡胶支座的隔震性能分析*

郝润霞，段案清

（1.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室，内蒙古 包头 014000）

随着科学技术的进步，传统的抗震结构已经不能满足人们的需求，隔震技术作为房屋建造的黑科技正在一步步走向人们的视野[1-4].GFRP支座作为隔震结构的新型支座其重量轻、加工方便、造价低等优势正在受越来越多的研究人员关注[5].2013年10月，谭平等[6]人利用造价低，重量轻的纤维增强复合材料板代替造价高、重量大的传统钢板，加工出了一种新型支座（FRPB），并且使用有限元软件ABAQUS经过模拟分析探讨2种支座的水平向应力、竖向应力、剪切应力的大小及分布状况，说明了二者的承载机理，揭示了翘曲因素对无约束型支座的应力分布情况，为研究人员对这种支座的竖向及水平刚度的计算提供一定的参考依据.2015年12月，广州大学周福霖[7]院士等人将近些年来，地震对中国大陆村镇房屋造成的破坏进行调查研究，想要发明一种可以在农村乡镇施行的低造价的新型隔震支座，经过教授们的努力一种新型支座FRP支座出现在人们的视野.2018年，李健军[8]使用玻璃纤维增强复合材料板代替传统钢板加工出了一种新型支座即GFRP叠层橡胶支座，这种新型支座支座质量轻、阻尼大、造价低、安装方便、设计制作简单、滞回性能良好、耐候性好（可用于特殊要求的减震控制）、节省劳动力、可以提高生产效率，同时满足了普通天然橡胶支座的力学性能要求.为了加速基础隔震技术的推广，使得研究这种质量轻，设计制作简单，适用于乡镇房屋的隔震支座便显得十分有意义.文中GFRP支座的有限元分析参数来源于广州大学李健军老师研究团队.

1 工程概况

本工程为山西省某幼儿园，钢筋混凝土的框架结构，共4层，隔震层层高为1.5 m，其他层高均为3.9 m，柱的截面尺寸为600 mm×600 mm，主梁的截面尺寸为350 mm×600 mm，次梁的截面尺寸为250 mm×400 mm，板的厚度为120 mm，混凝土的强度为C40，钢筋采用HRB400的钢筋.

隔震层中的隔震支座采用的是铅芯橡胶支座LRB700及铅芯橡胶支座LRB600、GFRP橡胶支座.其中铅芯橡胶支座LRB700的等效水平刚度为1384 kN／m，等效阻尼比为5.0%.铅芯橡胶支座LRB600的等效水平刚度为1101 kN／m，等效阻尼比为5.0%.GFRP支座竖向刚度等效水平刚度为340 kN／m，等效阻尼比为4.3%.建筑结构的抗震设防的烈度为7度，乙类建筑，场地的类别为Ⅲ类，设计的地震分组为第二组，抗震的等级为二级，场地的特征周期为0.55 s，不考虑风荷载.图1为结构的柱网图.

图1 结构柱网图

2 地震波的选取

地震波的选取是完成结构的动力时程分析的首要内容.在工程抗震研究中一般以地震波的峰值加速度来反映地震动强度[9-11].因此，在对建筑进行地震反应分析时需对选取的地震波按照抗震设防要求进行加速度蜂值调整，如式（1）所示.

式中：A（t）为原地震波时程曲线任意时刻t加速度值；Amax为原地震波时程曲线峰值加速度值；A′（t）为调整后的震波时程曲线任意时刻t加速度值；A′max为调整后的地震波时程曲线峰值加速度值.

由于地震波传递与建筑场地土的性质关系密切，在充分考虑选取各地震波要素的前提下，为保证动力响应分析结果在合理范围内的，根据抗震规范规定[12]，采用时程分析法时，应按照建筑场地和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2／3.因此，文中选取了实际3条自然地震动记录和2条人工模拟波.

天然波1为Hector Mine波，天然波2为Imperial Valley波，天然波3为Northridge波.人工波01与人工波02均使用人工地震波合成器SIMQKE程序生成.天然波及人工波的反应谱均是使用Seismo Signal进行调整处理.如图2所示，可以看出本文选取的地震波的反应谱与规范谱在统计规律内基本符合.图3～10所示为所选择的5条地震波的X方向及Y方向.

图2 地震波反应谱

图3 Hector Mine波X方向

图4 Hector Mine波Y方向

图5 Imperial Valley波X方向

图6 Northridge波X方向

图7 Imperial Valley波Y方向

图8 Northridge波Y方向

图9 人工波01

图10 人工波02

根据表1可知，对比隔震前后模型的前5阶模态周期可知，采取隔震技术后，周期延长约3倍左右，在更高阶的模态中，周期延长效果没有那么明显，系数只有1.5左右.隔震技术在低阶振型会起到显著的周期延长效果，降低低阶振型的地震作用.相比于传统抗震结构，结构周期的增大，会使建筑受到的地震力减小，墙梁柱等构件受到地震力传来的弯矩与剪力会减小，各构件的配筋都会适当减少，有利于提高建筑的安全性及经济性.

表1 隔震措施前后结构周期的对比

3 结构动力响应分析

3.1 层间位移分析

本工程案例采用240 mm×240 mm×90 mm的GFRP橡胶支座、直径为700 mm的铅芯橡胶支座搭配及直径为600 mm的铅芯橡胶支座搭配，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定，对橡胶的隔震支座，不应超过该支座的有效直径的0.55倍和支座的内部橡胶总厚度的3.0倍二者的较小值即120 mm.从图11中可以看出，根据本案例的计算结果，隔震层的最大层间位移为82.79 mm，在罕遇地震下无论是X方向的层间最大位移或者Y方向的隔震层层间最大位移都满足规范要求.

图11 不同地震波作用下的隔震结构层间位移

七度罕遇下，以Northridge波为例，通过图12发现其抗震结构X向顶层与底层的相对位移为25.34 mm，基础隔震结构X向顶层与底层的相对位移为13.86 mm，经过使用GFRP叠层橡胶支座设计的基础隔震结构其相对位移减小了45.3%，展现了使用GFRP叠层橡胶支座设计的隔震结构优秀的隔震性能.此外，通过图11可以发现在第3条天然波的作用下，其X方向结构由4层到1层的位移依次为76.71，74.5，70.72，62.85 mm，Y方向结构由4层到1层的位移依次为103.72，99.33，93.42，82.79 mm.Y向结构位移响应相对于X向依次提高了26%，24.9%，24.3%，24.1%，结构Y方向的动力响应明显高于X方向，由此可以得出结论，在对结构进行抗震设计时应该充分考虑地震波2个方向的输入，从而做到模拟的准确性.

图12 GFRP支座作用下的隔震结构与传统结构层间位移对比

3.2 加速度对比分析

通过图13，14，七度罕遇下，可以发现以Northridge波X向位例，经过隔震设计后，顶层最大加 速 度 由 原 来 的11055 mm／s2降 低 到4296 mm／s2，降低幅值为61.40%.以人工波为例，加速度由原来的9256 mm／s2降低到4034 mm／s2，降低幅值为56.42%.由此可以看出，采用GFRP叠层橡胶支座设计的隔震结构的各楼层层间加速度与传统抗震结构各楼层层间加速度相比，其加速度大小显著降低.此外，以Northridge波为例，由四层到一层对于传统抗震结构其X向的加速度为5365，4576，3202，2260 mm／s2，Y向的加速度为11055，9283，6437，2302 mm／s2，Y向结构加速度响应相对于X向依次提高了51.5%，50.7%，52.3%，1.8%，结构Y方向的动力响应明显高于X方向，由此可以得出结论，在对结构进行抗震设计时应该充分考虑地震波2个方向的输入，从而做到模拟的准确性.

图13 不同地震波作用下的隔震结构层间加速度

图14 GFRP支座作用下的隔震结构与传统结构层间加速度对

3.3 层间剪力对比分析

通过图15，16，七度罕遇下，可以发现Northridge波X方向为例，隔震结构由4层到1层的层间剪力分别为1047.7，1795.05，2839.12，3078.07 kN，传统结构的层间剪力由4层到1层分别为1596，3059，4173，4801 kN.各楼层的剪力降低幅值分别为34.3%，41.3%，32.1%，35.9%.以Northridge波Y方向为例，隔震结构由4层到1层的层间剪力分别为1113.4，1858.01，2986.15，2995.24 kN，传统结构的层间剪力由4层到1层分别为3034，5948，7850，8256 kN.各楼层的剪力降低幅值分别为63.3%，68.8%，62.0%，63.7%.展现了使用GFRP叠层橡胶支座设计的隔震结构优秀的隔震性能.此外，对于隔震结构2～4层，由Y向结构位移响应相对于X向依次提高了4.9%，3.4%，5.9%.结构Y方向的动力响应略高于X方向，由此可以得出结论在对结构进行隔震设计时应该充分考虑地震波两个方向的输入，从而做到模拟的准确性.

图15 不同地震波作用下的隔震结构层间剪力

图16 GFRP支座作用下的隔震结构与传统结构层间剪力对比

4 小结

通过上述研究及计算主要得出以下结论：

1）使用GFRP叠层橡胶支座设计的基础隔震结构较抗震结构在加速度响应及剪力响应方面均有60%左右的降低，展现了使用GFRP叠层橡胶支座设计的隔震结构良好的隔震性能；

2）结构在加速度、剪力方面的Y向地震动反应较X向提高了51.5%，4.7%左右，所以在结构设计时有必要进行双向地震动的输入，从而达到模拟的准确性.