摩擦摆隔震框架结构抗震性能分析

  本文主要进行了下列工作：1、介绍和比较美国、欧洲、新西兰等国家的结构设计规范中关于隔震设计的规定和要求。2、介绍和比较我国《建筑抗震设计规范》与在审批的《建筑隔震设计标准》中关于隔震设计的规定和要求，并对同一个建筑按照两种规范进行隔震设计，初步比较了楼层剪力和配筋等设计结果。3、按照《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010 设计了一个设防烈度为 8 度（0.2g）的四层摩擦摆隔震混凝土框架结构和一个未经隔震设计的与隔震结构上部结构相同的混凝土框架结构，并对两个结构进行缩尺设计，为振动台试验做准备。4、对两个摩擦摆支座进行力学性能试验并采用数值模型很好地模拟了试验中使用的摩擦摆支座。5、对缩尺后的抗震结构模型和隔震结构模型进行了振动台试验，在七度小震、八度小震、七度中震、七度大震（八度中震）、八度大震、九度大震、超过九度大震等 7 个加速度幅值的地震动下加载，并对比分析了两个结构的地震响应和破坏过程，分析了隔震层摩擦摆支座的响应。
第一章 绪 论

1.1. 研究背景

  地震是一种破坏力非常大的自然灾害。我国幅员辽阔，地震频发，是世界上地震灾害较多的国家之一。2008 年我国汶川发生 8.0 级地震，直接严重受灾地区达 10 万平方公里，共造成 69185 人遇难、18467 人失踪和四千余万人受灾（叶列平等，2008）。2013 年我国芦山发生 7.0 级地震，造成近二百人死亡，1.3 万人受伤，直接经济损失达 665.14 亿元（郑通彦等，2015）。隔震就是通过在基础顶部或楼层中设置隔震装置把结构和构件与可能引起破坏的地面运动分开。地震作用下，隔震装置通过发生较大的变形吸收地震能量，为结构提供一定的阻尼，同时结构周期变长，减小了上部结构的响应。在设防地

震和罕遇地震下，作用于上部结构的地震力远小于传统结构，使得上部结构可以保持弹性。虽然在结构的基础上需要特殊的消能装置，并且需要特殊的构造来连接建筑，但是隔震支座带来的较低的水平力使结构更加经济 (Wada, 2010)。隔震支座一般可分为橡胶隔震支座和摩擦隔震支座。摩擦摆是近年来发展起来的一种摩擦隔震支座，摩擦摆基于其凹面几何形状和表面的摩擦特性，使结构在遭遇地震等震动时在凹面上滑动并通过摩擦耗散能量。摩擦摆这种构造使隔震结构对激励的频率不敏感，且摩擦摆的竖向刚度取决于中间的滑块，水平刚度取决于凹面的摩擦性能，即水平刚度与竖向刚度无关。摩擦摆支座主要由上下的弧形滑板和中间的滑块组成，滑块的材料通常为聚四氟乙烯，滑动凹面的材料根据摩擦系数的不同有所不同，当地震力大于静摩擦力时，滑块开始沿凹面做类似于单摆的滑动，重力的分力与摩擦力一起形成的恢复力使摩擦摆可以自复位。根据滑动面的个数可以将摩擦摆分为单摆，双摆和三

摆等，常见的双摆摩擦摆剖面图见图 1-1。与只有一个滑动面的单摆摩擦摆相比，双摆和三摆摩擦摆有多个滑动面，可以提供更大的水平位移，若每个滑动面的曲率半径和摩擦系数不同，则可以在不同阶段提供不同的刚度，为设计提供更多灵活性

1.2. 研究现状

1.2.1. 摩擦摆隔震的发展综述

  Zayas 等人在 1987 年（Zayas，1987）提出了一种由凹形滑动面和铰接滑块组成的摩擦摆系统(FPS)隔振装置。在之后的几十年中，人们对摩擦摆的力学性能进行了大量的分析和试验研究。Mokha 等人（1988）最早给出了摩擦摆滑动摩擦系数与速度和压力的依赖关系，Zayas（1989，1990）和 Constantinou 等人（1990，1993）对其进行了实验研究并建立了摩擦摆隔震结构的数值模型，证明了摩擦摆能有效减小结构受到的惯性力，并给出了使用摩擦摆进行建筑设计的实例。Almazan 等人（1998）对摩擦摆的本构关系和结构模型进行了细化，并研究了垂直运动的影响。Monti 等人（2016）提出了基于二维球面摆的数值模型，研究表明对于单摆，与之前采用两个正交的平面摆的模型相比，当摩擦系数较大时，两种模型预测位移误差不大于 10%。但当摩擦系数非常小时(如 0.006)，二者的最大位移可相差 30%。为了避免长周期地震动下隔震支座发生共振，Tsai 等人（Tsai，2003）提出了变曲率摩擦摆(VCFPS)并进行了分析研究。Luca（2015）把有摩擦摆的结构看成两个自由度的线弹性体系，在近断层地震波下比较了五种计算摩擦摆刚度和摩擦系数的模型。Manish 等人（2015）根据已有的实验数据，提出了摩擦摆支座的摩擦系数与滑块滑动速度、轴向压力以及温度有关的表达式，并分析了摩擦系数与这些变量之间的关系，分析表明，在轴向压力较大时，温度是影响隔震系统最大位移的主要因素，轴向压力和速度对隔震系统位移的影响不大。Eroz 和 DesRoches（Eroz, 2008）使用详细的摩擦摆模型研究表明，地震荷载引起的竖向荷载变化可能会改变隔震支座和整个桥梁的响应。Rabiei 等人（Rabiei，2011）对一个 4 层隔震建筑进行数值分析，研究了竖向地震动对摩擦摆隔震结构的影响，结果表明忽略竖向地震动对支座位移峰值、基底剪力峰值和底板加速度峰值的最大误差分别为 15.61%、36%和 50.12%，即竖向地震动对低周期上部结构顶板加速度峰值有显著影响。近年来，国内外有不少学者对采用摩擦摆支座隔震的结构进行了振动台试验研究。杨林等人（杨林，2005）对 5 层钢框架的摩擦摆隔震结构进行了振动台试验，隔震层采用四个摩擦摆支座，试验发现摩擦摆支座能有效延长结构的周期,并减小地震力对上部结构的影响。周颖等人（Zhou Y，2017）通过振动台试验和数值模拟，研究了粘滞阻尼器对 16 层摩擦摆隔震钢筋混凝土框架结构的影响，试验和分析结果表明在强震下，隔震层位移得到显著控制，但上部结构响应略有增加。周博威（2019）对 12 层摩擦摆隔震钢筋混凝土框剪结构进行了振动台试验,研究了摩擦摆支座的受拉提离对高层结构的影响，试验表明，摩擦摆支座在受拉提离再接触后力学性能未发生显著变化，摩擦摆支座抬起对该结构隔震层的水平隔震效果影响较小。

第二章 我国不同规范隔震设计方法的对比研究

  本章对比我国的《建筑抗震设计规范》与在审批的《建筑隔震设计标准》中对隔震结构的规定和要求，并对同一建筑按照两种规范进行隔震设计，对比两个结构的层间剪力，混凝土和钢筋用量等设计结果。

2.1. 设防目标和设计理念

1. 设计理念

 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（中国建筑工业出版社，2010）（下面简称《抗规》）提出了隔震结构两阶段设计的设计理念——将隔震层与上部结构分开设计，通过计算水平向减震系数的值确定上部结构可按照本地区的抗震设防烈度降低半度、一度或一度半设计，其中水平向减震系数对于多层建筑和高层建筑分别按照式 2-1 和式 2-2 计算。之后可按照式 2-3 确定计算上部结构时的水平地震影响系数最大值。

这一计算方法使隔震结构的设计过程变得简单，同时保证了一定的安全度，但不能准确反应隔震结构的真实响应。规范中要求计算时采用多条地震动的时程分析法也会使计算结果具有一定的随机性。

2.2. 计算方法和公式

《建筑抗震设计规范》规定在主体结构弹性的前提下，对隔震结构和相应的抗震结构在设防地震下采用时程分析法进行分析，计算得到减震系数后根据减震系数的值确定上部结构可以降低一度半、一度或半度设计，再将上部结构单独设计。隔震设计流程如下：

（1）、按照《抗规》中的要求确定隔震目标，对上部结构采用降低一度半、一度或半度的设防目标进行抗震设计。

（2）、为上部结构增加隔震层，设计隔震支座的布置方案，初步选择摩擦摆支座的摩擦系数等参数，并选择合适的地震动对隔震前后的结构进行时程分析，根据式 2-1 或 2-1 计算结构的减震系数。

（3）、若减震系数不满足（1）中的隔震目标，更换摩擦摆支座重新计算，直至减震系数达到要求。

（4）、验算隔震结构层间位移角、隔震层最大水平位移和隔震支座受拉情况，若不满足要求则更换摩擦摆支座，重新计算。

（5）、对结构进行配筋，确定摩擦摆支座的参数。

《建筑隔震设计标准》规定直接对隔震结构进行设计。当房屋高度不大于 24米，上部结构较规则而且只有一种隔震支座时隔震结构均可采用底部剪力法计算；其他隔震结构应采用复振型反应谱法或强迫解耦的实振型分解反应谱法对隔震结构整体分析；当结构高度超过 60 米、体型不规则或隔震层较为复杂时还应使用时程分析法作为补充计算。