李 ,*

(1.同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092; 2.同濟大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

采用隔震技術(shù)對既有建筑進(jìn)行加固,拓寬了結(jié)構(gòu)抗震加固的思路和方法,尤其適用于歷史建筑、醫(yī)院、博物館等建筑結(jié)構(gòu)改造和提升性能,已有較多成功案例[1-3]。滑移隔震具有減震效果好、構(gòu)造簡單等優(yōu)點,對其開展的研究較早,但由于震后隔震層位移偏大,且不具備自動復(fù)位的能力,曾一度限制了其應(yīng)用發(fā)展[4]。進(jìn)一步的研究表明,摩擦滑移隔震對地震動頻譜特性不敏感[5],隔震層滑動后剛度極小,特別適合用于軟土場地結(jié)構(gòu)隔震[6],且當(dāng)隔震結(jié)構(gòu)在發(fā)生超出預(yù)期的位移時,可與限位裝置軟碰撞[7],或直接引入耗能裝置[8],從而降低滑移隔震系統(tǒng)的過大位移。

本文設(shè)計一種摩擦滑移組合隔震系統(tǒng),即將少量厚層橡膠隔震支座與黏滯阻尼器引入摩擦滑移隔震系統(tǒng),在保持減震效果的前提下,限制隔震層的不利位移及減小隔震系統(tǒng)的震后殘余變形。對摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)的力學(xué)特性進(jìn)行了分析,提出了此類隔震結(jié)構(gòu)的多水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)等效自振周期概念及計算方法。將此隔震系統(tǒng)應(yīng)用在某軟土地基場地的木結(jié)構(gòu)歷史建筑上,驗證該組合隔震系統(tǒng)的有效性,對于類似的工程隔震技術(shù)應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)力學(xué)性能分析

1.1 隔震系統(tǒng)組成

該摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)組成包括:①彈性滑板支座為主要組成部分,承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)豎向荷載,同時為上部結(jié)構(gòu)提供良好的水平向減震效果;②少量的厚層橡膠支座可減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、隔震系統(tǒng)的震后殘余變形;③黏滯阻尼器可限制整個隔震系統(tǒng)在罕遇地震下的不利水平位移;④其他必要的隔震構(gòu)造措施,如隔震溝、柔性管道連接等。

1.2 彈性滑板支座

彈性滑板支座由橡膠支座主體和滑動面構(gòu)成(圖1)。支座的水平性能如圖2(a)所示,在支座滑移前,滑板支座處于彈性狀態(tài),水平剛度等于橡膠支座部分水平剛度。當(dāng)支座滑動后,由摩擦界面動摩擦力決定,水平剛度則幾乎為零,并且滑移后支座可以通過摩擦力做功達(dá)到耗能的作用。同時,該支座在豎向有相當(dāng)?shù)某休d能力和一定的變形能力,通過合理的參數(shù)選擇,可以很好地滿足既有結(jié)構(gòu)改造中豎向荷載變形協(xié)調(diào)要求。

圖1 彈性滑板支座剖面示意圖Fig.1 Cross-section diagram of elastic sliding bearing

理論上,采用彈性滑板支座進(jìn)行隔震的結(jié)構(gòu),一旦支座起滑后,隔震層動剛度即趨于零,結(jié)構(gòu)的自振周期有無限增大的趨勢,可有效限制地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。從工程分析角度,則可取任一滑動位移處的割線剛度作為其等效水平剛度。隨著地震波峰值的增大,采用彈性滑板支座的滑移隔震結(jié)構(gòu),其隔震層位移將不斷增大,支座等效剛度隨之降低(圖2(a)),隔震結(jié)構(gòu)周期延長,從而減少上部結(jié)構(gòu)地震作用。因此,可引入多水準(zhǔn)隔震結(jié)構(gòu)等效自振周期的概念,即考慮不同水準(zhǔn)地震作用下滑板支座不同的水平等效剛度,分別計算結(jié)構(gòu)自振周期,以期更準(zhǔn)確地反映此類隔震結(jié)構(gòu)在多水準(zhǔn)地震作用下的結(jié)構(gòu)動力特性隨作用變化的特點,由此更合理地預(yù)估隔震效果及隔震層位移等。

圖2 摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)各組成部分水平力學(xué)性能Fig.2 Horizontal mechanical properties of each component of CFIS

1.3 厚層橡膠隔震支座

厚層橡膠隔震支座與常規(guī)橡膠隔震支座構(gòu)造上類似,但其單片橡膠層厚度較后者大得多(圖3)。因此,其豎向和水平剛度較小,能適應(yīng)更大的豎向和水平變形。支座水平向本構(gòu)如圖2(b)所示。

圖3 厚層橡膠隔震支座剖面示意圖Fig.3 Cross-section diagram of TLNR

如前所述,摩擦滑移隔震方案存在震后隔震層殘余變形大的缺點[4,9],在隔震系統(tǒng)中引入少量總高度較高的厚層橡膠隔震支座或低承壓橡膠支座,可以克服這一不足。將厚層橡膠支座布置于隔震層外圍,可減小摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),以及隔震層的殘余變形。

1.4 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器(圖4)是一種速度相關(guān)型阻尼器,理論上不提供靜剛度,因此不會影響附加阻尼器后的結(jié)構(gòu)周期。在簡諧振動激勵下,黏滯阻尼器滯回曲線如圖1(c)所示。其阻尼力可按式(1)計算:

F=C·vb

(1)

式中:C為阻尼系數(shù);v為運動速度;b為速度指數(shù)(0≤b≤1)。

圖4 黏滯阻尼器剖面示意圖Fig.4 Cross-section diagram of viscous damper

將黏滯阻尼器布置于隔震層中,通過阻尼力消耗地震能力,為隔震層提供附加阻尼比,可減小隔震層罕遇地震下的不利變形。

1.5 摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)整體力學(xué)性能

摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)的(水平向)整體力學(xué)性能,即是彈性滑板支座、厚層橡膠支座、黏滯阻尼器的各自力學(xué)性能按一定比例組合后的結(jié)果,如圖5所示。在計算隔震結(jié)構(gòu)等效自振周期時,建議采用各水準(zhǔn)等效剛度,并且只計入滑板支座和厚層橡膠支座的剛度貢獻(xiàn),而不考慮黏滯阻尼器的動剛度影響。此隔震系統(tǒng)在支座滑移后,隔震系統(tǒng)的整體等效水平剛度大大降低,并且具有飽滿的滯回曲線,將為上部結(jié)構(gòu)提供良好的隔震效果,下文將結(jié)合具體工程案例進(jìn)行驗證分析。

圖5 組合摩擦滑移隔震系統(tǒng)整體水平向本構(gòu)示意Fig.5 Horizontal mechanical properties of CFIS

2 摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 工程概況及隔震目標(biāo)

某木結(jié)構(gòu)古建筑為重檐歇山式單層建筑(圖6),距今已有近百年歷史。建筑面闊24 m,進(jìn)深18.34 m,屋脊高約18 m。主體結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的抬梁式木結(jié)構(gòu)體系,抗震設(shè)防烈度7度,建筑場地類別為Ⅳ類,場地特征周期為0.9 s。擬采用隔震加固方式適度提高該木結(jié)構(gòu)的抗震性能,并提出以下隔震性能目標(biāo):①設(shè)防地震下,隔震后上部結(jié)構(gòu)水平向地震作用比非隔震時降低半度;②罕遇地震下,隔震層最大位移不大于300 mm。

圖6 木結(jié)構(gòu)古建筑立面圖Fig.6 Elevation view of ancient timber building

2.2 隔震方案設(shè)計

由于該古建筑具有長周期柔性結(jié)構(gòu)特性,且場地條件為軟土地基,若采用常規(guī)的橡膠隔震支座方案,則要求隔震層剛度相對較小,橡膠支座選型和布置的確定存在較大問題,且在強震作用下隔震層將發(fā)生較大的水平及豎向變位,會導(dǎo)致隔震支座的失穩(wěn)或強度破壞。采用本文所述的摩擦滑移組合隔震方案,則可以有效解決上述問題,具有較好的隔震效果。摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)平面布置見圖7。根據(jù)支座面壓條件,彈性滑板支座選用SLB350、SLB450兩種規(guī)格;厚層橡膠支座及黏滯阻尼器均布置于隔震層外圍,旨在抑制隔震結(jié)構(gòu)大震下的過大水平位移、減小隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng),以及降低隔震層震后殘余變形。隔震系統(tǒng)性能參數(shù)見表1-表3。

圖7 隔震層平面布置圖Fig.7 Plan view of isolation layer

表1 彈性滑板支座參數(shù)表Table 1 Specification of elastic sliding bearings

表2 厚層橡膠支座參數(shù)表Table 2 Specification of TLRs

表3 黏滯阻尼器性能參數(shù)表Table 3 Specification of viscous dampers

2.3 結(jié)構(gòu)動力特性與隔震效果分析

采用有限元分析軟件SAP2000建立了此木結(jié)構(gòu)古建隔震前后的數(shù)值模型。模型中,木材容重取4 kN/m3,彈性模量鑒于建筑年代久遠(yuǎn),折減后取7 200 MPa。彈性滑板支座采用Friction Isolator單元(曲率半徑足夠大)。厚層橡膠支座和黏滯阻尼器分別采用Rubber Isolator單元、Damper-Exponential單元模擬。上部結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)榫卯斗拱木結(jié)構(gòu),總重力荷載代表值約為3 100 kN。木柱柱腳假定為鉸接,榫卯連接剛度則設(shè)定為10%剛接剛度。

對模型進(jìn)行了模態(tài)分析、基于直接積分法的時程分析,進(jìn)而對比結(jié)構(gòu)隔震前后的地震反應(yīng)。地震波選用現(xiàn)行《上海市建筑抗震設(shè)計規(guī)程》附錄A列出的地震波(設(shè)防地震工況選用地震波SHW1～SHW7,罕遇地震工況選用地震波SHW8～SHW14)。需要說明的是,在時程分析中僅考慮隔震支座及黏滯阻尼器非線性特性,上部木結(jié)構(gòu)及隔震層上部鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換層考慮為彈性。

模態(tài)分析的結(jié)果表明,隔震前后結(jié)構(gòu)一階振型、二階振型均為水平向平動,三階振型均為扭轉(zhuǎn)。隔震前后結(jié)構(gòu)周期對比見表4,其中對隔震后結(jié)構(gòu)采用了多水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)等效自振周期的計算結(jié)果。由于彈性滑板支座的等效剛度隨位移變化,隔震后的大雄寶殿在不同水準(zhǔn)地震動下結(jié)構(gòu)自振周期也隨之變化,具有變周期隔震結(jié)構(gòu)的特征,且結(jié)構(gòu)變形集中在隔震層。

表4 非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)周期Table 4 Natural periods of structure with/>without isolation layers

表5列出了隔震前后結(jié)構(gòu)剪重比、層間位移角的結(jié)果。設(shè)防地震下,水平向減震系數(shù)為0.52,隔震加固后的結(jié)構(gòu)地震作用較隔震前降低半度,且隔震系統(tǒng)對上部結(jié)構(gòu)變形的減震效果優(yōu)于地震剪力,隔震后的上部結(jié)構(gòu)層間變形僅為隔震前的40%。罕遇地震工況,隨著地震水準(zhǔn)的提升,隔震系統(tǒng)發(fā)揮的減震效果愈佳,并較好控制了隔震層的不利變形,隔震層最大水平位移為238 mm,滿足隔震目標(biāo)性能要求。

表5 非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比Table 5 Comparison of seismic responses of structure with/without isolation layers

2.4 摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)性能分析

為分別探討彈性滑板支座、厚層橡膠支座、黏滯阻尼器在摩擦滑移組合隔震結(jié)構(gòu)中的隔震功能,在2.2節(jié)摩擦滑移組合隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,補充分析兩種摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu),三種隔震結(jié)構(gòu)在隔震系統(tǒng)方面的對比如表6所示。

表6 三種摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)對比Table 6 Comparison of 3 isolated structures 個

2.4.1彈性滑板支座性能分析

圖8為模型一中某SLB450型號滑板支座在設(shè)防地震、罕遇地震下的滯回曲線,可以看出滑板支座具有穩(wěn)定的滯回性能,為隔震系統(tǒng)提供了良好的耗能能力,且隨著地震水準(zhǔn)的提升,滑板支座摩擦消耗的地震能量越多。

2.4.2厚層橡膠支座性能分析

由模型二、模型三時程分析結(jié)果(表7)對比可知,相對純摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu),附加厚層橡膠支座對隔震系統(tǒng)的減震效果影響不大,但卻可以大大減小隔震層的震后殘余變形,也很大程度上抑制了罕遇地震下隔震層的最大位移。

2.4.3黏滯阻尼器性能分析

與模型二、模型三相比,模型一中由于增設(shè)了黏滯阻尼器,罕遇地震下隔震層最大位移從401～636 mm降至228 mm,效果顯著(表7)。由三種摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下的能量時程分析結(jié)果(圖9),模型一中隔震系統(tǒng)耗散的能量占地震輸入能量的79.89%,其中彈性滑板支座和黏滯阻尼器耗能分別占29.7%和50.2%。在模型二、模型三中,隔震層只有滑板支座摩擦耗能,其耗能占比分別為62.0%、64.8%?？梢?在摩擦滑移隔震組合系統(tǒng)中,黏滯阻尼器可起到顯著降低大震下隔震層不利位移的作用,并且豐富了隔震層耗能途徑,提升了隔震結(jié)構(gòu)的耗能能力。

圖8 SLB450型彈性滑板支座滯回曲線Fig.8 Hysteretic curves of elastic sliding bearing SLB450

表7 不同類型的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)Table 7 Seismic responses of three friction-sliding isolated structures

圖9 三種摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)大震下耗能示意圖Fig.9 Energy dissipation of three friction-sliding isolated structures

3 結(jié) 論

本文在以彈性滑板支座為主的摩擦滑移隔震系統(tǒng)中,引入少量厚層橡膠支座、黏滯阻尼器,設(shè)計一種新型摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)。將該隔震系統(tǒng)應(yīng)用在某軟土地基場地條件下木結(jié)構(gòu)古建筑的隔震加固設(shè)計中,得出以下結(jié)論:

(1) 結(jié)合摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)力學(xué)特性,提出并分析了該隔震結(jié)構(gòu)多水準(zhǔn)隔震結(jié)構(gòu)等效自振周期。

(2) 隔震后上部木結(jié)構(gòu)的水平地震作用比隔震前降低半度,罕遇地震隔震層最大位移238 mm,滿足隔震性能目標(biāo),驗證了該隔震系統(tǒng)對軟土地基長周期結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計的適用性。

(3) 與純摩擦滑移隔震系統(tǒng)對比分析,摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)中附加的少量厚層橡膠支座可以降低隔震層震后殘余變形達(dá)66.8%。

(4) 黏滯阻尼器豐富了摩擦滑移組合隔震系統(tǒng)的耗能途徑,改善了隔震結(jié)構(gòu)耗能分布,較純摩擦滑移隔震系統(tǒng),罕遇地震下隔震層最大位移降低了64.2%。

致謝 感謝同濟大學(xué)呂西林教授和翁大根教授,上海建筑設(shè)計研究院有限公司李亞明、李偉,以及上海材料研究所的丁孫瑋、上海天演建筑物移位技術(shù)有限公司藍(lán)戊己等,在項目合作過程中提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

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