王 蕊

(天津電力設計院，天津 300200)

地震是一種突發(fā)式的自然災害，強地震在瞬間就可以造成山崩地裂、河流改道、房屋倒塌、堤壩潰決，給人們生命財產造成嚴重危害．我國是世界上多地震的國家，為了防止地震給人民的生命財產帶來重大損失，廣大科技人員一直致力于防震減災的研究．基礎隔震便是較好的防震措施之一，即在建筑物或構筑物基底設置控制結構來隔離地震能量向上部結構傳輸，使結構振動減輕，防止地震破壞．目前，研究開發(fā)的基礎隔震體系很多，主要有：疊層橡膠墊隔震、滑動摩擦隔震體系、組合隔震體系、摩擦擺體系、滾軸或滾珠摩擦隔震體系、還有新近出現的滑動凹面基礎隔震體系等[1]．

摩擦擺(friction pendulum system，簡稱FPS)[2]是一種圓弧面滑動摩擦系統(tǒng)，具有較強的限、復位能力、耗能機制和良好的穩(wěn)定性，從而提高了系統(tǒng)的工程實現性．摩擦擺隔震系統(tǒng)經實驗研究效果較好[3]，可應用到建筑和橋梁加固改造中．本文基于摩擦擺(FPS)及其隔震剪型結構非線性微分方程，采用數值模擬方法，分析摩擦擺隔震系統(tǒng)對配筋砌體結構地震響應的影響．

1 摩擦擺隔震結構計算模型及運動方程[4-5]

根據文獻[4]的基本假定，建立FPS隔震結構的分析模型，如圖1所示．隔震系統(tǒng)由上部結構和基底摩擦擺(隔震層)組成．其中，m0為結構隔震層質量，合在結構底板質量中；mi，ki，ci(i=1 2 … n)分別為上部結構第 i層的質量、層間水平剛度和阻尼系數；x0為相對地面的水平位移(基底滑移量)；xi(i =1 2 … n)表示上部結構質量mi相對于地面的水平位移．

圖1 計算模型

1.1 摩擦擺系統(tǒng)(FPS)力與位移的關系公式

利用剪切型結構的層間剛度和集中質量求解的關系式為

式中：第一部分代表擺的部分，第二部分代表按庫侖定律確定的摩擦力部分；為重力引起的隔震層側向剛度；F為摩擦擺的基底剪力；W 為結構的重量；是符號函數．其中，x˙0為隔震層的速度；R為滑道半徑；x0為隔震層的水平相對位移；Sμ為摩擦系數．

1.2 摩擦擺基礎隔震結構運動方程

摩擦擺基礎隔震結構運動方程可以寫成以下形式

2 工程概況

采用砌體結構設計軟件MSSP，設計一座6層的配筋砌塊砌體住宅樓．砌塊等級第一層為 MU7.5，其他層為 MU5；砂漿等級為 M 5．結構長邊寬 26.4 m，短邊寬 9.5 m，各層層高 3.0 m，結構的幾何平面圖如圖2所示．設計軟件MSSP輸出的結構各層的質量、剛度等信息為：各層的平移質量為 320.7 t，轉動慣量為 63 114.562 t·m2；第一層的 X向剪切剛度為1 420 000 kN/m，Y向剪切剛度為 3 270 000 kN/m，扭轉剛度為 601 803 550 kN·m；第二至六層的 X向剪切剛度為 986 000 kN/m，Y向剪切剛度為 2 260 000 kN/m，扭轉剛度為416 029 025 kN·m．

隔震層設計結構：采用摩擦擺隔震體系，共設置12個摩擦擺式支座，其布置位置如圖2所示，隔震層質量為320 t．摩擦擺式支座的參數為：支撐凹面的曲率半徑alp＝1.0 m，最大滑動摩擦系數fmax＝0.2，最小滑動摩擦系數fmin＝0.08，滑動摩擦系數從最大值到最小值轉換的控制常數pa＝0.8．

圖2 砌體結構平面圖

抗震設防烈度為8度，設計地震分組為1，II類場地．地震波選用El-Centro波，8度罕遇地震，峰值加速度為0.4 g，持時40秒，積分步長選用0.001秒[6-7]．

3 計算結果分析

利用3D-BASIS-ME軟件，輸入X向的El-Centro波，分別對此配筋砌體結構采用摩擦擺隔震體系前、后進行彈塑性時程分析[6]，對比計算結果．

3.1 原結構與隔震結構位移反應對比

計算結果(見表1)表明：采用摩擦擺基礎隔震后，改善了配筋砌體結構的動力特性，使結構加速度和層間位移響應大幅降低，隔震效果明顯．不隔震時上部各層加速度呈放大趨勢，其中頂層X向加速度增大了2.435倍，隔震后各層加速度都沒有放大，上部結構各層X向最大加速度均小于輸入的峰值；隔震后的地震響應明顯小于原結構，隔震后頂層X向最大加速度僅為原結構的27.4%；隔震后上部結構各層最大位移反應較小，頂層X向最大相對位移僅為原結構的31.7%左右．

表1 配筋砌體結構在X向地震波作用下的加速度、位移最大響應

非隔震結構與隔震結構在X向地震波作用時，隔震層、上部結構各層的最大加速度(取絕對值)、X向最大位移(取絕對值)的對比結果如圖3-4所示．經隔震后地震響應沿結構高度趨于均勻，結構的鞭梢效應受到有效控制．

圖3 X向加速度對比

圖4 X向相對位移對比

3.2 原結構與隔震結構時程反應對比

原結構與隔震結構在X向地震波作用時，結構頂層加速度反應時程、X向位移響應時程對比曲線如圖5、圖6所示．原結構時程曲線在整個地震持時過程中有明顯的多個尖峰的存在，而隔震結構的曲線則要平緩許多．比較結果可知，摩擦擺隔震結構有效地阻止了地震輸入尖峰的出現，減少了地震對結構的損傷．圖7表明，采用摩擦擺隔震支座的滯回環(huán)豐滿耗能效果較好．

以上結構分析表明，原有基礎固定的結構采用FPS 隔震體系進行加固，結構的地震反應向有利抗震的方向發(fā)展．

圖5 原結構與隔震結構在X向地震波作用時頂層加速度時程對比

圖6 原結構與隔震結構在X向地震波作用時頂層相對位移時程對比

圖7 隔震支座的力-位移關系曲線

4 結 論

(1)編制了適合于多層砌體結構基底隔震結構的分析程序．

(2)采用摩擦擺基底隔震措施，可以有效降低上部結構的最大加速度和層間位移地震反應．

(3)配筋砌體結構采用摩擦擺基礎隔震體系，能夠改善結構的動力特性，使地震響應大幅度降低，隔震效果明顯．

［1］ 周福霖. 工程結構減震控制[M]. 北京：地震出版社，1997．

［2］ ZAYAS V，LOW S S．A simple pendulum technique for achieving seimic isolation[J]. Earthquake Spectra，1990，6(2)：317-334.

［3］ MOKHA A S. Experimental study of friction pendulum isolation system jornal of structural engineering[J].ASCE，1991，117(4)：1 201-1 217.

［4］ 李大望，周錫元，霍 達，等. FPS隔震結構的性態(tài)和地震反應分析[J]. 工程抗震，1996(1)：6-9.

［5］ 劉衛(wèi)然，魏建國，劉京紅. 摩擦擺隔震結構的地震響應分析[J]. 山西建筑，1996，32(20)：11-12.

［6］ 莊 朋，李 明，張浩華. 變系數摩擦擺系統(tǒng)隔震的研究[J]. 河南科學，2002，20(2)：117-119.

［7］ 袁正國，王煥定. 偏心多塔結構同基礎隔震效果分析[J]. 地震工程與工程振動，2008，27(6)：230-235.