图1 高性能多级性态隔震支座的构造示意图
Fig.1 Sketch of high performance multi-level bearing(HPMB)
何文福 1 ，许 浩 1 ，魏陆顺 2 ，冯祎鑫 1 ，杨巧荣 1
(1．上海大学土木工程系，上海 200444；2．佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东，佛山528000)
摘 要： 铅芯橡胶支座力学性能受竖向压应力和水平剪应变影响较大，且在极罕遇地震下传统隔震结构易发生位移过大而引发隔震沟碰撞风险。该文提出一种新型高性能多级性态隔震支座，可在单个支座中兼顾竖向高承载特性和稳定的水平滞回特性，所提出支座具有与结构多水准抗震性能相匹配的多级刚度特性。制作多级性态原型支座并进行力学性能试验，得到多级性态支座不同工况下的水平滞回性能，基于试验结果提出了多级性态支座的力学滞回模型。对某高层框架剪力墙结构进行多级性态隔震设计并与原设计铅芯橡胶支座(lead rubber bearing, LRB)隔震方案对比分析，结果表明多级性态隔震系统具有理想的水平隔震效果，且可有效控制支座的竖向拉应力，在极罕遇地震下有效控制隔震层水平位移，实现隔震结构具有多级的抗震性能。
关键词： 隔震；多级支座；静力试验；叠层橡胶支座；结构响应
基础隔震技术通过设置隔震层，由隔震装置吸收消耗主要地震能量，仅有少部分能量传到上部结构，从而保护结构安全。1994年美国Northridge地震中，采用隔震技术的南加州大学医院不仅结构完好无损，而且建筑功能基本未受影响，仍维持了医院的功能 [1] 。叠层橡胶支座具有水平刚度小、竖向刚度大、性能稳定和水平变形能力大等特点，是目前工程中最常用的隔震装置 [2] 。橡胶支座的力学性能受水平变形影响较大，Warn和Whittaker [3] 的研究表明，橡胶支座发生 150%变形时，竖向刚度将衰减 40%～50%，水平变形达到支座直径时，竖向刚度将只有初始状态的20%。Kumar等 [4] 对一核电厂隔震结构展开研究，发现由橡胶支座水平变形引起的性能变化是影响核电厂隔震结构地震响应的主要因素。Vemuru等 [5] 指出橡胶支座的水平刚度和拉压刚度都会受到水平位移影响，尤其是在特大地震和极罕遇地震下，水平刚度的损耗是不可恢复的。叶昆等 [6] 发现近场区竖向地震动对于隔震支座的破坏模式影响较大，在较大的竖向分量作用下，隔震支座可能会在剪切破坏之前先发生拉压破坏。
橡胶支座在大变形下的力学性能衰减现象，工程上的对策是限制其压应力和水平变形限值，我国抗震规范规定橡胶支座的压应力限值为10 MPa～15 MPa，最大水平变形为300%变形 [7] 。大型隔震建筑中往往需要使用大尺寸橡胶支座，甚至在柱底采用2～3个支座并联使用。受限于当前的橡胶硫化技术，大尺寸橡胶支座的大量使用，会影响项目工期和工程造价 [8] 。隔震支座减小上部结构地震反应的同时会放大隔震层位移，在极罕遇地震及近断层地震作用下，存在隔震层位移过大而与隔震沟发生碰撞的危险，隔震层碰撞会激发上部结构的高阶模态，显著放大结构响应，甚至引起结构破坏及倒塌 [9―11] 。吴迪等 [12] 进行了串联隔震体系的地震易损性分析，隔震层的破坏是影响高层隔震结构体系整体地震可靠度的关键因素。
橡胶支座隔震体系在大变形下的性能不稳定特性以及超水准地震作用下的碰撞风险，大量学者进行了相关研究。Braga等 [13] 提出了一种高阻尼橡胶支座-摩擦滑移组合隔震体系并进行了足尺结构动力试验，结构高阶振型的影响得到了有效控制，结构抗震性能显著提升。Lin等 [14] 针对一种高阻尼橡胶支座和磁流变阻尼器组合的半主动隔震系统进行了振动台试验，结构加速度响应和隔震层位移响应均得到有效控制。Cancellara和Angelis [15] 提出一种高阻尼组合隔震系统，由铅芯支座和摩擦滑板串联形成，对于传统橡胶支座隔震效果较差的低频地震有着极佳的隔离效果。张富有和张涛 [16] 研究了组合隔震系统的轴力转移现象，大震下引起的附加摩擦力对隔震层位移影响较大。Monzon和 Ismail等 [17―18] 进行了新型隔震装置的开发研究。
目前关于隔震体系的研究多集中于橡胶支座-滑板支座的组合体系，通过在隔震层中混用两种支座以达到组合隔震的效果，但不同类型支座的混搭使用，容易引起结构扭转和竖向轴力变化，进而影响隔震层滞回性能和结构抗震安全性 [16] 。因此，开发一种适用于多水准地震作用的新型多级隔震系统是很有必要的。
本文基于弹性滑板支座和橡胶材料的力学性能特点，开发了一种高性能多级性态隔震支座(High Performance Multi-level Bearing，HPMB)，如图 1所示。HPMB主要由橡胶支座、滑动面板和高模量橡胶体组成，橡胶支座用于承担竖向荷载，其上表面嵌有滑动面板，可与上连接板相互滑动，选用不同材料的滑动面板可得到多种摩擦性能。高模量橡胶提供水平刚度，与上连接板以螺栓连接。上连接板上设有限位挡块，大变形状态下，限位挡块可推动橡胶支座继续变形。
图1 高性能多级性态隔震支座的构造示意图
Fig.1 Sketch of high performance multi-level bearing(HPMB)
初始加载阶段，高模量橡胶体剪切变形，橡胶支座在静摩擦力的推动下发生变形，此时由高模量橡胶体和橡胶支座共同提供水平刚度，表现为一阶刚度；随着水平变形增大，静摩擦力不足以推动橡胶支座继续变形时，上连接板与滑动面板将发生滑动，此时仅由高模量橡胶体提供水平刚度，表现为二阶刚度；水平变形继续增大，当限位挡块与橡胶支座封板接触时，挡块推动橡胶支座，上连接板与滑动面板将协同变形，不再发生摩擦滑动，此时，由高模量橡胶体和橡胶支座共同提供水平刚度，表现为三阶强化刚度。HPMB的多水准变形状态如图2所示。
图2 高性能多级性态隔震支座的多水准变形图
Fig.2 Multi-level deformation of HPMB
新型组合支座兼有弹性滑板支座的竖向高承载特性和稳定的水平性能，且在多水准地震作用下可表现出多级抗震性能。
为研究HPMB的力学性能和滞回模型，设计制作了HPMB500及HPMB700两套原型支座并对其进行静力加载试验研究，试验支座参数如表1所示，试验加载采用位移控制，试验工况如表2所示。
表1 试验装置的力学参数
Table1 Mechanical parameters of test device
表2 试验工况
Table2 Test cases
各工况下HPMB的水平滞回曲线如图3所示。根据实验结果可知，HPMB的水平滞回性能呈现为双线性特征，大变形下发生硬化效应表现出三线性。由于其屈服力与摩擦力相关，在不同的竖向荷载作用下，HPMB表现出不同的屈服力。
图3 各工况试验滞回曲线
Fig.3 Hysteretic curve of different cases
工况2和工况4为水平极限性能试验，在300%和350%水平变形下，HPMB的滞回曲线仍能保持稳定，支座外观完好无破损，HPMB的水平极限变形能力可达到350%变形以上。
试验过程中观察到的支座水平变形如图4所示，由于滑动面板与上连接板发生了摩擦滑动，可观察到橡胶支座的变形与高模量橡胶体变形不一致。
图4 试验支座的剪切变形
Fig.4 Shear deformation of tested bearing
根据图3的试验结果，得到HPMB的水平力学模型如图5所示，其屈服后刚度K 2 由高模量橡胶体的水平刚度决定：
式中K r 为高模量橡胶体的水平刚度，其计算可参考叠层橡胶支座的水平刚度计算公式 [1] ，即：
HPMB的水平屈服后刚度为：
式中：n、G、A、T分别为高模量橡胶体的个数、剪切模量、截面积和厚度。
图5 高性能多级性态隔震支座的水平滞回模型
Fig.5 Hysteretic model of HPMB
HPMB的滑动面板开始滑动时，静摩擦力转化为滑动摩擦力，此时视为支座的屈服，屈服力为：
式中：K RB 为橡胶支座的水平刚度；μ为滑动面板与上连接板的静摩擦系数；P为支座的竖向荷载。HPMB的水平屈服力与竖向压力相关。
水平荷载 Q ＜Q d 时，橡胶支座在静摩擦力的推动下变形，此时HPMB的水平刚度为：
上连接板设有挡块，上连接板与滑动面板发生一定的滑动变形后，挡块与橡胶支座接触，推动支座变形，此时，HPMB发生硬化，硬化刚度为：
此时，HPMB水平变形为：
式中 0 δ为挡块与橡胶支座的初始距离。
由于中心橡胶支座的竖向刚度远大于高模量橡胶体，HPMB的竖向刚度可视为橡胶支座的竖向刚度。
由此可得到HPMB的水平刚度表达式为：
支座的力学参数理论值与试验均值对比结果如表3所示。理论计算值与试验值吻合较好。误差约在10%以内，试验滞回曲线与理论曲线较吻合，如图6、图7所示，所提出滞回模型可以有效的模拟HPMB的力学性能。
表3 HPMB的力学参数试验值
Table3 Mechanical parameter of HPMB
图6 HPMB500试验曲线与理论曲线对比
Fig.6 Comparison of test and theoretical hysteretic curves of HPMB500
图7 HPMB700试验曲线与理论曲线对比
Fig.7 Comparison of test and theoretical hysteretic curves of HPMB700
HPMB的水平滞回性能可视为高模量橡胶体和弹性滑板支座力学性能的并联组合，其隔震体系的计算模型如图8所示，该体系的运动方程为：
式中： M 、 C 和 K 分别为上部结构质量、阻尼和刚度矩阵； x i 为上部结构各质点相对于隔震层顶板的位移向量；x b 为隔震层顶板位移； b θ为隔震层转角；K θ 为隔震层转动刚度； H 为各质点高度向量； I 为单位向量。
图8 多级性态隔震体系计算模型
Fig.8 Calculation model of HPMB isolated structure
多级性态隔震结构的设计流程如图9所示，设计过程中的重点在于多级隔震参数的确定，可通过设置多级屈服力或屈服位移得到各个隔震阶段，基于抗震设防目标确定各阶段隔震刚度。
图9 多级性态隔震体系设计计算流程
Fig.9 Design procedure of HPMB isolated structure
对某高层实际结构进行隔震设计，分别采用传统LRB和新型HPMB为隔震装置，考察其结构响应和抗震性能。
本工程为高层住宅，建筑高度77.3 m，地上21层，地下2层，地上建筑面积47859 m 2 ，主体结构采用框架剪力墙体系。场地类别为II类，设计分组为第三组，抗震设防烈度为9度，基本设计加速度0.4 g。隔震层布置在地下一层顶板，隔震层平面布置如图10所示，使用了三种规格的铅芯橡胶支座，具体参数如表4所示。
多级性态隔震支座方案共选用 HPMB600、HPMB700、HPMB800三种型号，分别替换原设计的LRB1000、LRB1100、LRB1300。HPMB的性能参数如表5所示。
图10 隔震层平面布置
Fig.10 Isolation layout
表4 铅芯橡胶隔震支座力学参数
Table4 Mechanical parameteres of LRBs
表5 HPMB力学参数
Table5 Mechanical parameteres of HPMB
采用通用有限元软件 SAP2000建立结构分析模型如图11所示，LRB选用Bouc-Wen单元模拟，HPMB采用滑板支座与线性弹簧并联模拟。同时考虑LRB和HPMB的大变形硬化效应，根据文献[19]取硬化刚度为屈服后刚度的 1.5倍，硬化位移为240%支座变形。HPMB的硬化位移取300 mm。
选用5条天然地震波、2条人工波进行动力时程分析，反应谱曲线如图 12所示，输入峰值考虑多水准地震作用，多遇地震输入加速度峰值为140 gal，设防地震输入加速度峰值为400 gal，罕遇地震输入加速度峰值为620 gal，极罕遇地震输入加速度峰值为930 gal。地震波采用三向输入，三向输入峰值比为1∶1∶0.65。
图11 数值分析模型
Fig.11 Numerical model
图12 地震波反应谱
Fig.12 Response spectra of selected waves
隔震结构与原结构的前三阶周期对比如表6所示，LRB隔震结构与HPMB隔震结构的周期基本接近。隔震结构的加速度放大系数如图 13所示，从多遇到极罕遇各水准地震作用下，结构加速放大系数约为0.3～0.5，HPMB系统和LRB系统均具有显著的隔震效果。
多遇及设防地震作用下，HPMB系统的隔震效果优于 LRB系统，而罕遇地震和极罕遇地震作用下，LRB系统优于HPMB系统，这是由于HPMB的硬化刚度比 LRB大，进入硬化段后加速度放大效应更明显。隔震效果最优的工况是 LRB系统在罕遇地震作用下，此时 LRB还未发生硬化，而HPMB已发生了显著的硬化效应。
表6 结构周期对比
Table6 Comparison of structural periods
图13 多水准地震下结构响应均值
Fig.13 Average response under multi-level PGA input
图 14给出了隔震层中心支座在 ELNS波和HANS波作用下的滞回曲线，地震作用下，HPMB的屈服力基本保持稳定，其屈服力及屈服后刚度与LRB基本吻合，HPMB的一阶刚度相比LRB更小，且先于LRB发生硬化，硬化刚度比LRB大，这一特性与图13中的结构响应规律相符。
多水准地震作用下，HPMB隔震结构表现出多级抗震性能。多遇及设防地震作用下，适当放大隔震层位移，主要控制上部结构加速度响应；罕遇地震和极罕遇地震作用下，隔震层位移较大，HPMB进入强化阶段，适当减弱隔震效果，控制隔震层位移，避免支座损伤或隔震沟碰撞风险。
图14 中心隔震支座滞回曲线对比
Fig.14 Comparison of hysteretic curves of center isolator
图 15给出了部分支座地震作用下竖向最大应力均值，由于HPMB的设计面压明显高于LRB，故HPMB的竖向应力整体上低于LRB，在罕遇地震和极罕遇地震作用下，LRB出现了明显的受拉现象，最大拉应力均超过了1 MPa限值，极罕遇地震作用下拉应力甚至高达4 MPa，此时HPMB仍能保持不受拉。
图15 部分支座竖向最大应力均值
Fig.15 Average value of maximum vertical pressure of some bearings
图16 42号支座竖向应力时程
Fig.16 Vertical pressure time history of NO.42 bearing
图16给出了ELNS波及HANS波作用下42号支座的竖向应力时程对比，在地震波作用过程中，可观察到LRB的竖向应力多次进入受拉区，HPMB由于其滑动面板与橡胶支座脱开的构造特性，全过程保持不受拉，最大应力为0。
地震作用下LRB隔震层与HPMB隔震层的响应均值如表7所示。多遇地震作用下，HPMB隔震层顶板加速度较小，隔震层位移较大，隔震支座均受压，HPMB的面压更大。设防地震作用下，两种隔震体系隔震层位移响应基本相当，HPMB体系隔震层顶板加速度更小，LRB进入受拉状态而HPMB未受拉。罕遇地震和极罕遇地震作用下，HPMB隔震层顶板加速度较大，隔震层位移较小，LRB受拉严重，HPMB不受拉。
表7 LRB隔震层与HPMB隔震层响应均值
Table7 Average response of LRB and HPMB isolation layer
注：比值=HPMB/LRB；支座应力：负值表示受压，正值表示受拉。
本文提出了一种新型高性能多级性态隔震支座并进行静力试验研究，将新型组合支座应用于一框架剪力墙高层隔震结构，主要结论如下：
(1)提出了一种新型高性能多级性态隔震支座，通过滑板支座与高模量橡胶的配合实现竖向承载和水平隔震的功能分离，在保证水平性能的同时实现竖向高承载，且克服了传统弹性滑板支座恢复力不足的缺点。
(2)对所提出的新型支座进行静力试验研究，试验结果表明，高性能多级性态隔震支座水平滞回性能稳定，力学模型呈双线性，水平变形可达350%以上，在竖向具有高承载能力，竖向面压 40 MPa时仍表现出稳定的滞回性能。
(3)将所提出的高性能多级性态隔震支座应用于某框架剪力墙高层隔震结构中，结构加速度放大系数约为0.3～0.5，HPMB系统均具有显著的隔震效果。地震作用下HPMB滞回曲线稳定饱满，大变形下观察到硬化效应。地震作用下HPMB竖向应力显著低于LRB，LRB在罕遇和极罕遇地震作用下受拉严重，最大拉应力可达4 MPa，而HPMB可保持全水准地震作用下不受拉。与传统 LRB隔震体系相比，HPMB隔震体系在小震下隔震效果更优，在超设计大震下可以有效控制隔震层位移响应以防止在隔震沟位置发生碰撞引发倒塌风险。
(4)采用HPMB隔震方案与原设计LRB隔震方案相比，具有相近的结构响应和隔震层滞回性能，且在支座拉应力控制及多水准性能匹配方面更加优越，但支座尺寸减小了约40%，可显著缩短支座生产周期和加工成本，有利于实际工程的工期和成本控制，对于隔震技术的进一步推广具有积极意义。
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EXPERIMENT RESEARCH AND DYNAMIC RESPONSE ANALYSIS OF HIGH PERFORMANCE MULTI-LEVEL BEARING
HE Wen-fu 1 , XU Hao 1 , WEI Lu-shun 2 , FENG Yi-xin 1 , YANG Qiao-rong 1
(1.Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China;2.Department of Civil Engineering, Foshan University, Foshan, Guangdong 528000, China)
Abstract: Vertical pressure and lateral strain have large influence on the mechanical behavior of a lead rubber bearing (LRB).Base pounding is easily to occur under an extremely rare earthquake.A new kind of high performance combined bearing (HPMB)is proposed.It has high vertical bearing capacity and stable horizontal behavior, and can suit multi-level anti-seismic requirements.A static test of prototype devices was conducted.Horizontal hysteretic curves under varies conditions are obtained and a hysteretic model of HPMB is introduced based on test results.The seismic isolation design of a high-level frame-shear wall structure using HPMB system is conducted.The dynamic responses of HPMB system and original LRB system are compared.HPMB system has a satisfying horizontal isolation effect.Besides, HPMB system can significantly reduce the vertical tensile stress of bearings and can efficiently reduce isolation deformation under an extremely rare earthquake.HPMB system has multi-level anti-seismic behavior.
Key words: seismic isolation; multi-level bearing; static test; laminated rubber bearing; structural response
杨巧荣(1966―)，女，内蒙古人，副教授，工学硕士，主要从事结构隔震技术研究(E-mail: yangqr@aliyun.com).
魏陆顺(1973―)，男，江西人，教授级高工，工学博士，主要从事结构振动控制研究(E-mail: 1174578590@qq.com);
冯祎鑫(1996―)，女，山西人，博士生，主要从事空间多维减震体系研究(E-mail: 391187932@qq.com);
作者简介：
许 浩(1991―)，男，安徽人，工学博士，主要从事核电站三维隔震研究(E-mail: xuhaoxy08@163.com);
基金项目： 国家自然科学基金项目(51478257，51508414)；上海市自然科学基金项目(15ZR1416200)
通讯作者： 何文福(1979―)，男，福建人，副教授，工学博士，主要从事结构隔震减震研究(E-mail: howunfu@shu.edu.cn).
文章编号： 1000-4750(2018)09-0097-10
收稿日期： 2017-05-17；修改日期：2017-12-04
文献标志码： A
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.0368
中图分类号： TU352.1+2