连接型摩擦阻尼器对基础隔震结构地震响应位移控制的试验研究

邹爽，池永昌容，五十子幸树，福见祐司，井上范夫

（1.广州大学工程抗震研究中心，广州510405；2.日本东北大学，日本仙台980-0845）

连接型摩擦阻尼器对基础隔震结构地震响应位移控制的试验研究

邹爽1，池永昌容2，五十子幸树2，福见祐司2，井上范夫2

（1.广州大学工程抗震研究中心，广州510405；2.日本东北大学，日本仙台980-0845）

为了避免和减轻由过大的隔震层位移引起的损害，井上等人提出了一种控制隔震层位移的新型控制装置-连接摩擦阻尼器。介绍了阻尼器的构造和工作原理，通过对阻尼器进行单体试验和振动台试验，研究阻尼器的性能、控制效果以及对上部结构振动特性的影响。试验结果表明：连接型摩擦阻尼器具有完全弹塑形恢复力特性，对隔震层最大位移制控效果明显，同时也会略微放大上部使结构加速度。由于连接型摩擦阻尼器连接后隔震层刚度增加，使得上部结构的高频振动成分增加。但是，在连接型摩擦阻尼器连接的瞬间，并未出现加速度急剧增加的问题。

基础隔震结构；位移控制；振动台试验；摩擦阻尼器；高频振动

0 前言

滑移隔震技术具有简单易行，造价低廉，受地面运动频率特性的影响较小，几乎不发生共振现象，发生滑移位移后，不影响其支座的竖向承载能力等优点。但是，滑移隔震技术也有较明显的缺点，即在大震作用下基底产生很大的位移，容易引起隔震结构与周围维护结构之间发生碰撞，给结构带来不利影响[1-3]。2011年日本东北大地震中，检测到最大隔震层位移达到0.335m，超过设计值0.3m的隔震层预留安全距离[4]。Nagarajajan[5]等利用美国1994年Northridge地震中一座滑移隔震结构的地震反应实测数据，对该结构进行了系统识别，发现在地震中隔震结构的基底板与基坑发生了碰撞，并增大了上部结构的加速度和剪力。为了克服这个缺点，国内外学者提出了例如摩擦摆结构，恢复力摩擦结构以及带限位装置的滑移隔震结构。由于较大的滑移量，往往将这些隔震结构的摩擦系数设计的较大，使得这些控制结构虽然能减小基底最大滑移量，但却放大了中小地震作用时上部结构的地震响应。针对于此，Inoue等人提出了一种带有连接部件，并可只在大震时发挥作用，有效控制隔震层位移的新型阻尼器-连接型摩擦阻尼器（以下简称FDC）。FDC是一种当阻尼器的变形超过设定的连接距离时，开始发挥作用，抑制隔震层位移的被动减震装置。对于小震或中等强度地震，FDC不发挥控制作用，仅靠摩擦滑移支撑就足以达到较好的控制效果，避免了由于安装了阻尼器而放大了上部结构地震响应的弊端。对于大地震，FDC开始发挥作用，将基底滑移位移控制在一个可接受的范围内。因此，这种连接型摩擦阻尼器对地震强度较大或较小的范围均有效。

本文中，介绍FDC的构造和工作原理，并通过对阻尼器进行单体试验和振动台试验，来确认其性能、位移控制效果以及探讨FDC对上部结构振动特性的影响。

1 FDC的构造原理及特点[6-7]

图1所示为FDC构造。FDC由摩擦和连接两部分组成。摩擦部分由内部摩擦拉杆、摩擦套筒以及两侧的螺旋弹簧构成。阻尼器的摩擦力是由内部摩擦拉杆和摩擦套筒之间的摩擦而产生。通过调节摩擦套筒紧固内部摩擦拉杆的程度来控制摩擦力的大小。两侧螺旋弹簧提供一定大小的弹性刚度，衰减连接部分连接时的冲击作用，抑制高频振动的响应。连接部分是由外部拉杆和内部摩擦拉杆构成，一旦发生连接非人力作用不再断开。阻尼器的连接距离可人为设定。

FDC工作过程中分为两个阶段：

（1）连接前：阻尼器的变形小于设定连接距离LS，FDC不发挥作用（如图1a所示）。

（2）连接后：阻尼器的变形超过设定连接距离LS（如图1b所示），外部拉杆和内部摩擦拉杆发生连接，并传递内部摩擦拉杆上产生的摩擦力。当内部摩擦拉杆上产生力的作用时，首先摩擦部分的两根螺旋弹簧发生伸缩，发挥弹性恢复力的作用。当内部摩擦拉杆上产生的作用力大于设定的摩擦力Fd时，摩擦套筒和内部摩擦拉杆之间开始发生相对滑动，产生摩擦力。基于此工作原理，FDC具有如图2所示的完全弹塑性恢复力特征。

由于每个FDC只能在一个方向上发生连接，所以，在实际应用中，往往要在位移的正方向和负方向上分别安装1个或多个FDC共同作用。

图1 FDC构造图Fig.1 Mechanism of FDC

图2 FDC的力学模型Fig.2 Mechanicalmodel of the FDC

2 FDC的单体试验

为了把握FDC的力学特征，对阻尼器试件进行单体加载试验。试验装置的设置情况如图3所示，将阻尼器的一端固定在固定夹具上，另一端通过力传感器连接到振动台的装配架上，沿着阻尼器的轴向加载。阻尼器的行程为±100mm，摩擦力的大小（Fd≦1.0 kN）。

设定FDC的连接距离为70 mm。采用振幅90

图3 FDC的设置Fig.3 The setup of FDC

3 FDC的振动台试验

3.1试验概况

将一个3层钢框架固定在隔震层上构成了本实验中的隔震体系，如图5所示。。隔震层是由一个mm，周期为3s的正弦波反复加载，得到如图4所示的摩擦力-变形关系。由图4可知，当阻尼器变形小于70mm时，阻尼器不发生连接，此时阻尼器的摩擦力仅为0.03 kN。当变形达到设定连接距离70 mm瞬间，阻尼器发生连接，摩擦力以74.5 kN/m的弹性刚度线性增加，直至达到设定摩擦力Fd。阻尼器发生连接后，摩擦力-变形关系曲线平滑，可以确认阻尼器连接后性能的稳定性。直线滑动轨道和螺旋弹簧构成。由静力加载和自由振动试验测得：直线滑动轨道摩擦力为0.061kN，螺旋弹簧刚度为12.4 kN/m，隔震体系的质量、刚度和固有周期如表1所示。上部3层框架的衰减系数为0.1%。振动模态如图6所示。在在以下两种模式下进行试验。

图4 FDC的摩擦力-变形关系Fig.4 The friction-deformation relation of the FDC

图5 隔震体系立面图Fig.5 Elevationmap of the isolation system

图6 振动模态Fig.6 Vibrationmodes

（1）没安装FDC：隔震体系的隔震层中不安装FDC。

（2）安装FDC：分别将FDC的摩擦力设定为Fd=0.5 kN和0.9 kN，连接距离为LS=50mm，让阻尼器发生连接发挥作用。

隔震体系分别在包含隔震台架在内的4个质点系（4DOF）的情况下和通过限制上部3层框架的层间位移将上部视为刚体的1个质点系（1DOF）的情况下进行试验。整个试验的共有6个试验工况，如表2所示。隔震层中安装作为衰减装置的油压阻尼器和作为位移控制装置的FDC，阻尼器设置情况如图7所示。油压阻尼器的粘性衰减系数为2.1 kNs/m（相对于总质量的16.7%）。FDC的参数采用单体试验结果。

表2 隔震体系固有周期Table 2 Natural Period of the the isolation system

表1 隔震体系的刚度、质量、固有周期Table 1 M ass，stiffness and natural period of the isolation system

3.2试验工况和输入地震波

图7 阻尼器的设置Fig.7 The settings of damper

利用振动台在水平方向上进行加载试验。由于只有一个FDC试件，因此先分析没安装FDC的情况下隔震层的位移时程曲线，确认先达到连接距离的位移方向，然后将FDC安装在此方上。并输入地震波采用了El Centro NS方向地震记录（1941年Imperial valley地震）和八户港湾EW方向的地震记录（1968年日本十勝沿海地震）。在4DOF没安装FDC的情况下，使得隔震层最大位移达到90 mm，来设定输入地震波的输入大小分别为61.0%、51.5%。输入地震波的加速度反应谱如图8所示。由图8可知，一阶固有周期附近隔震体系的响应基本相同。高阶周期附近处，EI－Centro NS波输入时隔震体系的响应更大。所以，在此仅给出EI－Centro NS波输入时试验结果。

3.3试验结果

图8 加速度反应谱Fig.8 Acceleration response spectra of inputground motions

（1）时程曲线和滞回曲线。图9所示为CASEA1和CASEA4试验工况下，顶层和隔震层加速度、隔震层位移的时程曲线。图10所示为隔震层加速度的傅里叶振幅。由图9可知，1DOF和4DOF情况下隔震层位移几乎重合。4DOF情况下的响应加速度要比1DOF情况下的响应加速度大，而且高频振动成分增加，特别是在隔震体系的顶层。由图10可知，4DOF情况下结构的2阶振动成分增加。图11所示为CASE A4和CASE B-1两试验工况下的试验结果的比对。虽然，由于安装了FDC，使得隔震体系的高频振动成分和最大响应加速度增加，但是，在阻尼器发生连接的瞬间并未发现剧烈的加速度增加的现象，并且与未安装FDC的情况相比，隔震层的最大位移被减小了40%左右。

图9 时程曲线Fig.9 The time-history curve of response

图12所示为CASE A4和CASE B-1两试验工况下的滞回曲线。比较图2和图12可知，虽然在滑移摩擦过程中摩擦力出现脉冲响应，但是对结构的响应影响不大。并且，阻尼器能够按照预先设计地发生连接，发挥阻尼力的作用。

（2）最大响应值。图13所示为隔震体系的最大响应值。由图可知在4DOF情况下，顶层和1层加速度较大，2层加速度相对较小。出现这样的情况是因为如图6所示的2阶振动成分的影响增大所致。这符合图12得出的结论。

图10 隔震层加速度傅里叶振幅（CASEA1；CASEA4）Fig.10 Fourier amplitude spectra of the response acceleration on isolated first floor（CASEA1；CASEA4）

图11 响应时程曲线（CASEA4；CASEB4-1）Fig.11 Response time histories（CASEA4；CASEB4-1）

图12 滞回曲线（CASEA4和CASEB4-1工况）Fig.12 The hysteresis curves of the isolated story and the FDC

图13 最大响应值Fig.13 Maximum response values

CASE A4情况下，隔震层最大位移为90mm，安装FDC后,最大位移被控制在50～60mm范围内。CASE B4-1情况下，隔震体系最大加速度和各层层间位移没有大幅增加。CASE B4-2的情况下，虽然对隔震层的位移控制效果与CASE B4-1的情况相同。但是，最大加速度和最大层间位移却比CASE B4-1的情况增加（表3）。

表3 试验工况Table 3 Test conditions

图14 加速度傅里叶振幅（4DOF）Fig.14 Fourier amplitude spectra of the response acceleration（4DOF）

4 振动特性

图14所示是CASE A4和CASE B4-1两试验工况中测得的响应加速度的傅里叶振幅。分别用实线表示CASE A4工况下隔震体系的固有频率（如表1所示），用虚线表示CASE B4-1工况阻尼器已发生连接的情况下，隔震体系的固有频率。此情况时隔震层的弹性刚度为86.9kN/m，是螺旋弹簧的刚度12.4kN/m和FDC的弹性刚度74.5kN/m之和。如虚线所示第一固有频率为0.77Hz。

图15 振动模态比较Fig.15 Comparison of Participation Vectors

图15所示为4个质点系，没安装FDC和安装FDC时试件的振动模态的比较。由图15可知，安装了FDC的情况，高阶振动模态影响增加，使得具有高频成分的响应加速度增加（如图14所示）。另外，阻尼器本身具有弹塑性滞回特性，将加剧高频振动成分的增加，但是增加的幅度不大。并且，FDC对位移响应的控制效果明显，所以该阻尼器应该被采用。

5 结语

试验结果表明，FDC可以有效地控制隔震层的过大位移。在阻尼器连接之后结构的高频振动稍微增加。另外，安装FDC后，隔震层刚度的增大而引起了高频成分的增加。所以，今后有必要对阻尼器的摩擦力、刚度和连接距离等参数进行优化设计，使其发挥最优的控制作用。

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Control of Seism ic Response Displacement of Base Isolated Structure Specimen by Friction Dam per w ith Coupling M echanism

ZOU Shuang1，IKENAGA Masahiro2，IKAGO Kohyu2，FUKUMIYuji2，INOE Norio2

（1.Earthquake Engineering Research&TestCenter ofGuangzhou University，Guangzhou 510405，China；2.Tohoku University，Sendai980-0845，Japan）

To avoid ormitigate the damage caused by such excessive displacement,a new device for controlling seismic displacement of base isolated structure by themeans of a friction damper with couplingmechanism was proposed by Inoue at al.In this paper,the structure and working principle of the damper was introduced. Through the harmonic loading test and shaking table test,the performance of damper，control effect and impact on the vibration characteristics of the upper structure was researched.The results show that the damper withelastic perfectly has plastic restoring force characteristics.After installing the damper，the maximum response displacement of the isolated story is controlled effectively，and themaximum acceleration on the superstructure is slight increased.Due to the increase of the stiffness of the isolation layer after the damper is coupled，the higher order vibration components is increased.But there is no obvious increase in the acceleration of the isolated structure in the moment of the damper connection.viscous dampers as the isolation layer，the shaking table test for amid-story isolation structure was conducted.For a four-story steel framemodel,the locations of isolation layer are set at bottom of the first story，top of the first story,top of the second story or top of the third story in turn.Changing the location of isolation layer，acceleration，story displacement and story shear force coefficientweremeasured.The results show thatmid-story.

Base isolated structure；Control of seismic response displacement；Shaking table test；Friction damper；Highermode vibration

TU352.12

A

1001-8662（2016）04-0097-07

10.13512/j.hndz.2016.04.015

邹爽，池永昌容，五十子幸树，等.连接型摩擦阻尼器对基础隔震结构地震响应位移控制的试验研究[J].华南地震，2016，36（4）：97-103. [ZOU Shuang，IKENAGA Masahiro，IKAGO Kohyu，et al.Control of Seismic Response Displacement of Base Isolated Structure Specimen by Friction Damperwith Coupling Mechanism，2016，36（4）：97-103.]

2016-08-26

广东省自然科学基金项目（2016A939310255）

邹爽（1984-）,女，助理研究员，主要从事防震减灾工作.

E-mail：zoushuang_2015@163.com.