竖向地震对摩擦滑移摆隔震性能的影响

朱清泉　陆琨　陶忠　叶鑫

摘要： 为了研究竖向地震对摩擦滑移摆隔震性能的影响，文章以昆明某幼儿园四层钢框架为依托，采用SAP2000通用有限元软件对该结构进行弹塑性时程分析，其中地震波采用单向、双向、三向地震波输入进行罕遇地震隔震分析，分别从结构的顶层加速度、层间位移角、支座位移等方面论述竖向地震作用对摩擦滑移摆隔震性能的影响。分析结果表明摩擦滑移摆隔震结构对竖向地震有一定的隔震效果，竖向地震对支座的水平位移影响很大，对支座的竖向位移影响较大。

Abstract： In order to study the effect of vertical earthquake on the friction pendulum isolation performance， this paper takes Kunming a kindergarten four storey steel frame as the basis， uses SAP2000 finite element software for elastic-plastic time history analysis of the structure， applies the one-way and two-way， three-way seismic wave input for the seismic isolation analysis of rare earthquake， respectively. The effects of vertical seismic action on the seismic isolation performance of the frictional sliding pendulum are discussed respectively from the top acceleration of the structure， the displacement angle of the interlayer and the displacement of the bearing. The analysis results show that the friction sliding pendulum isolation structure has certain isolation effect on vertical earthquake， also the vertical earthquake has a great influence on the horizontal displacement of the support and has great influence on the vertical displacement of the support.

關键词： 摩擦滑移摆；弹塑性时程分析；竖向地震；隔震性能

Key words： frictional slip pendulum；elastic-plastic time history analysis；vertical seismic；isolation performance

中图分类号：TU352.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0093-04

0 引言

摩擦滑移摆隔震支座在平面滑移隔震装置中除了具有对地震激励频率范围低敏感性和高稳定性等特性外，其特有的圆弧滑动面使其具有自复位功能，无需设置阻尼向心机构，在实际应用中更为简便[1]。该支座具有竖向承载能力强、 抗扭转性能好、 耐久性强、阻尼耗能特性好等优点，但是该支座具有在轴向上不抗拉的特性。我国现行的抗震规范规定进行抗震分析的时候一般都只考虑单向或双向地震作用，而在实际情况下，当地震动输入到结构中时都会包含水平地震作用和竖向地震作用，因此摩擦滑移摆轴向不抗拉的性能是否对结构抗震能力造成不利的影响。本文将从结构的顶层加速度、层间位移角、支座位移等方面论述竖向地震作用对摩擦滑移摆隔震性能的影响。

1 工程概况

本工程位于昆明市五华区黑林铺，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值为0.2g，设计地震分组第三组，Ⅱ类场地。该建筑建为三层钢架结构，该工程等效宽度 25.7m， 建筑高度 18.7m， 高宽比为 0.73， 属于重点设防类。该工程的SAP2000模型如图1所示。

2 模型验证

为了校核所建立SAP2000模型的准确性，将SAP2000和SATWE非隔震模型计算得到的质量、周期和层间剪力（振型分解反应谱法）进行对比，结果如表1所示。表中差值为：（SAP2000-SATWE/SATWE）·100%。

从表1可以看出SAP2000模型与SATWE模型的结构质量、周期和层间剪力差异都很小。因此用于本工程隔震分析计算的SAP2000模型与SATWE模型是一致的。

3 隔震支座布置与地震动选取

3.1 支座布置

本工程的隔震层在基础与上部结构之间，在每一颗柱的柱底都布置隔震支座，一共布置41个隔震支座，根据计算出的竖向承载力的要求分别布置两种不同的隔震支座。

3.2 地震动选取

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，以下简称《抗规》）5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果80%。endprint

本工程选取了实际2条强震记录和1条人工模拟加速度时程，3条时程反应谱和规范反应谱曲线如图2所示，基底剪力对比结果如表2所示。

4 结构计算分析及结果对比

4.1 顶层加速度对比

为研究竖向地震动对结构顶层加速度的影响，选取非隔震结构的第四层作为研究对象。根据提出的数据得到，第四层在罕遇地震工况下的LWD地震波输入时有最大的节点加速度，然后提出第四层在LWD地震工况下所有节点随时间变化的加速度，求出每一时刻的顶层加速度平均值，用来表示结构在该工况下的顶层加速度。单向、双向、三向地震波输入的顶层加速度对比如图3、图4、图5所示。

从图3、图4和图5可以看出三向地震波输入与单向和双向地震波输入相比，顶层加速度变化曲线基本一致，其中三向地震波输入的非隔震结构顶层加速度峰值为6.06m/s2，隔震结构顶层加速度峰值为2.40m/s2，顶层加速度峰值降低了60.35%；雙向地震波输入的非隔震结构顶层加速度峰值为6.05m/s2，隔震结构顶层加速度峰值为2.33m/s2，顶层加速度峰值降低了61.44%；单向地震波输入的非隔震结构顶层加速度峰值为5.56m/s2，隔震结构顶层加速度峰值为2.53m/s2，顶层加速度峰值降低了54.58%。根据以上的数据可以看出，三向地震波输入与双向地震波输入的顶层加速度对比差别很小，但与单向地震波输入比较，三向地震波输入比单向地震波输入的非隔震顶层加速度峰值更大，而顶层加速度降低率也比单向地震波输入的情况下大，因此在隔震设计与分析的时候，有必要考虑竖向地震波，而且摩擦滑移摆隔震结构从水平向顶层加速度峰值来看对竖向地震有一定的隔震效果。

4.2 结构层间位移角对比

为了对单向、双向、三向地震波输入的结构进行层间位移角对比，分别取每一楼层三条地震波X向和Y向的层间位移角平均值作为该楼层的层间位移角，结果如图6、图7所示。

从图6、如7可以看出三种地震波输入方式对层间位移角的影响很小，但是就隔震结构单向地震波输入与三向地震波输入相比，三向地震波输入下隔震层以上楼层的层间位移更小，因此摩擦滑移摆隔震结构对竖向地震有一定的隔震效果。

4.3 支座位移对比

4.3.1 支座水平位移对比

提出罕遇地震下三种地震波输入模型的支座水平位移如图8所示。

从图8可以看出支座的水平位移在单向地震波输入下最小，双向地震波输入下最大，三向地震波输入下比较接近双向地震波输入的情况，但是比单向地震波输入模型的水平位移大很多，其中单向地震波输入下模型的最大水平位移为86.0mm，双向地震波输入下模型的最大水平位移为98.3mm，三向地震波输入下模型的最大水平位移为95.7mm，因此竖向地震对支座的水平位移影响很大。

4.3.2 支座竖向位移

提出罕遇地震下三种地震波输入模型的支座竖向位移如图9所示。

从图9可以看出三向地震波输入下支座的竖向位移最大，单向地震波输入下支座的竖向位移最小，其中最大值为-2.7mm，最小值为-2.2mm。可见竖向地震对支座的竖向位移影响较大。

5 结论

综上所述，竖向地震对摩擦滑移摆隔震性能有一定的影响，得到的结论如下：①由于三向地震波输入与单向地震波输入比较，三向地震波输入比单向地震波输入的非隔震顶层加速度峰值更大，而顶层加速度降低率也比单向地震波输入的情况下大，因此在隔震设计与分析的时候，有必要考虑竖向地震波，而且摩擦滑移摆隔震结构从水平向顶层加速度峰值来看对竖向地震有一定的隔震效果。②由于隔震结构单向地震波输入与三向地震波输入相比，三向地震波输入下隔震层以上楼层的层间位移更小，因此摩擦滑移摆隔震结构对竖向地震有一定的隔震效果。③竖向地震对支座的水平位移影响很大，对支座的竖向位移影响较大。

参考文献：

[1]叶鑫.摩擦滑移摆隔震新技术试点工程应用研究[D].昆明理工大学，2017.

[2]雷丰成.摩擦摆隔震体系（FPS）实用化方法研究[D].昆明理工大学，2016.

[3]曹新笠.基于振动台试验的摩擦摆隔震机理及性能参数化研究[D].昆明理工大学，2014.

[4]雷丰成，陶忠，张龙飞，余文正，王林.昆明团山幼儿园摩擦 摆隔震体系结构设计与计算分析[J].建筑结构，2016，46（11）：60-65.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[6]孔德文，范峰，支旭东.摩擦摆支座在K8型单层球面网壳 结构中的隔震研究[J].哈尔滨工业大学学报，2015，47（12）：9-15.

[7]孙梦涵.应用摩擦摆网架结构抗震性能研究[D].哈尔滨工业大学，2013.endprint