新型自复位三维隔震结构动力响应数值模拟分析*

田 坤，李向民，王卓琳

(上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

0 引言

采用基础隔震技术时，通过设置具有较小刚度的隔震层延长结构自振周期，避开共振周期，从而隔离地震能量，显著减小隔震层上部结构动力响应。最早的隔震结构为Pestalozzi小学[1]，该学校采用橡胶块作为隔震装置，但橡胶块在结构自重作用下压缩变形较大，且横向变形明显。法国设计师在纯橡胶块中加入多层钢板，提高了橡胶支座竖向刚度，限制了支座横向变形，朗贝斯库学校和库鲁阿斯核电站均采用了该类支座。为提高支座耗能能力，在橡胶支座中部加入铅芯，制成铅芯橡胶隔震支座，新西兰惠灵顿威廉克雷顿大楼是该类支座在工程上的首次应用[2]。随后，众多学者针对叠层橡胶隔震支座开展了大量理论与试验研究工作[3-11]，使叠层橡胶隔震支座在实际工程中得到推广与应用[12-15]。

水平隔震技术虽可有效减小结构水平加速度响应，但可能放大结构竖向加速度响应。在高烈度地区，尤其是震中附近，竖向地震动分量对结构的破坏作用不可忽视。因此，可同时减小结构水平、竖向加速度响应的三维隔震技术应运而生，对该技术的研究主要围绕三维隔震支座，三维隔震支座主要分为厚层橡胶隔震支座[16-17]、空气弹簧隔震支座[18-19]和钢弹簧隔震支座[20]。

针对常规水平隔震结构(简称HISO)竖向加速度被放大、钢弹簧三维隔震支座抗拉能力差且易发生提离失效等问题，研发新型自复位抗拉三维隔震支座。该支座由水平橡胶隔震支座和自复位抗拉竖向碟形弹簧隔震支座组成，其中水平支座起水平隔震作用，竖向支座起竖向隔震作用，且具有防提离和自复位作用。通过有限元分析软件SAP2000建立采用叠层橡胶隔震支座的常规水平隔震结构模型和采用新型自复位抗拉三维隔震支座的三维隔震结构(简称3DISO)模型，并对比分析不同地震波作用下的结构动力响应。

1 新型自复位抗拉三维隔震支座

新型自复位抗拉三维隔震支座构造如图1所示，竖向支座设有水平限位构件，并通过构造设计保证碟形弹簧处于压缩状态，为支座提供自复位恢复力，防止支座发生提离失效。在支座变形过程中，内部构件对阻尼液的剪切与挤压作用可提高支座耗能能力，进一步减小上部结构动力响应。

图1 新型自复位抗拉三维隔震支座构造示意

2 有限元模型建立

为研究新型自复位抗拉三维隔震支座隔震效果，建立HISO，3DISO模型进行动力响应分析，其中HISO叠层橡胶隔震支座采用橡胶隔震支座连接单元模拟，3DISO三维隔震支座采用橡胶隔震支座连接单元、摩擦弹簧连接单元和黏滞阻尼器连接单元模拟。隔震层上部均设置8层框架结构，框架梁、柱均采用矩形混凝土截面单元模拟，楼板采用壳单元模拟(见图2)。选用El-Centro，Superstition，Tabas，Taft波，地震波原始信息如表1所示，归一化地震波时程曲线与加速度反应谱如图3所示。

图2 有限元模型

表1 地震波原始信息

图3 归一化地震波时程曲线与加速度反应谱

3 数值模拟结果与分析

3.1 自振周期

HISO，3DISO自振周期如表2所示，由表2可知，3DISO竖向自振周期显著增大，水平自振周期有所增大，表明新型自复位抗拉三维隔震支座可进一步减小上部结构在地震作用下的动力响应。

表2 自振周期 s

3.2 加速度

不同地面峰值加速度下HISO，3DISO加速度放大系数如表3，4所示，由表3，4可知，3DISO加速度在部分地震波作用下较HISO加速度大，但较地面加速度显著减小；HISO竖向加速度响应相对于地面显著增大，而3DISO竖向加速度响应相对于地面未出现显著放大现象。

表3 HISO加速度放大系数

表4 3DISO加速度放大系数

3.3 位移

不同地面峰值加速度下HISO，3DISO水平位移峰值如图4所示，由图4可知，HISO，3DISO上部结构变形均表现为整体平动，水平位移峰值随着楼层数的增加而增大；3DISO水平位移较HISO水平位移小。当结构水平加速度响应未出现显著放大现象时，结构水平位移可得到控制。

图4 结构水平位移峰值

3.4 滞回性能

Superstition波作用时，不同地面峰值加速度下HISO，3DISO隔震支座水平荷载-位移滞回曲线如图5所示。由图5可知，HISO，3DISO屈服力、屈服前刚度与屈服后刚度相等，这是因为研究模型均采用同型号叠层橡胶隔震支座；3DISO三维隔震支座水平位移较HISO水平隔震支座小。

图5 结构水平荷载-位移滞回曲线

Superstition波作用时，不同地面峰值加速度下3DISO隔震支座竖向荷载-位移滞回曲线如图6所示。由图6可知，不同工况下隔震支座均处于受压状态。

图6 3DISO竖向荷载-位移滞回曲线

当地面峰值加速度为0.6g时，HISO，3DISO隔震支座竖向荷载时程曲线如图7所示。由图7可知，3DISO三维隔震支座竖向荷载峰值显著小于HISO水平隔震支座；HISO水平隔震支座在Superstition波作用下的最大竖向拉力达366kN，已进入受拉状态，而3DISO三维隔震支座在 El-Centro，Superstition波作用下均未进入受拉状态。

图7 隔震支座竖向荷载时程曲线

4 结语

研发新型自复位抗拉三维隔震支座，并建立采用叠层橡胶隔震支座的常规水平隔震结构模型与采用新型自复位抗拉三维隔震支座的三维隔震结构模型，对比分析结构动力响应特性，得出以下结论。

1)3DISO水平和竖向自振周期均较HISO大，其中竖向自振周期显著增大。

2)HISO水平加速度响应相对于地面显著减小，但竖向加速度响应显著增大；3DISO水平加速度响应相对于地面显著减小，减幅与HISO相当，但竖向加速度响应相对于地面未出现显著放大现象，可知3DISO竖向加速度控制效果优于HISO。

3)HISO，3DISO上部结构变形均表现为整体平动，3DISO水平位移较HISO水平位移小，可知罕遇地震作用下，3DISO可避免因橡胶隔震支座发生过大水平位移而造成的剪切破坏。当结构水平加速度响应未出现显著放大现象时，结构水平位移可得到控制。

4)HISO，3DISO屈服力、屈服前刚度与屈服后刚度相等，但3DISO三维隔震支座竖向荷载峰值较HISO水平隔震支座小。当地面峰值加速度为0.6g时，HISO水平隔震支座在Superstition波作用下进入受拉状态，而3DISO三维隔震支座在El-Centro，Superstition波作用下均未进入受拉状态。