复摩擦摆支座在古建筑中的隔震分析

2021-04-25潘忠炜

绿色环保建材 2021年4期

潘忠炜

中国建筑第八工程局有限公司设计管理总院

1 引言

摩擦摆支座是利用滑动面的设计来延长隔震结构的振动周期，以避开场地的卓越周期，同时滑动面与滑块之间的摩擦耗散部分地震能量，最终实现大幅减低输入主体结构地震能量的目的，其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能。蔡崇兴[1]等人对摩擦摆进行了改进，把摩擦摆的上摆改成滑动球面，形成复摩擦摆；邓雪松[2]等人对复（双凹）摩擦摆支座进行了理论分析和数值模拟，得出了最大残余位移公式。北京万国城各楼间连廊上安置了我国首例美国FPB 摩擦摆拉压支座，还有一些桥梁项目应用了摩擦摆支座[3]。

2 工程实例分析

2.1 工程背景概况

某历史保护建筑——某大殿承重结构为抬梁式木构架，木构架采用云杉木材，大殿的墙体是采用黏土青砖砌成。该地区抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度峰值为0.1g，场地类别为IV，抗震设计分组为第一组，场地特征周期为0.9s[4-5]。

2.2 建立数值模型

隔震设计时，在大殿底部设置一个由钢筋混凝土梁组成的托盘，将大殿整体拖起，在托盘与基础之间安装隔震支座等隔震装置。采用SAP2000 建立大殿的数值模型，通过释放梁端转动刚度来模拟榫卯连接；用缝单元连接墙和木柱来模拟墙与柱之间的相互作用。

2.3 隔震层的布置

图1 复摩擦摆支座布置图

本工程采用复摩擦摆支座共20个，其平面布置如图1所示。

在数值模型中，复摩擦摆支座用SAP2000 自带的摩擦摆支座连接单元（Friction Isolator）来模拟，其中连接单元半径取上下曲率半径之和。

2.4 地震动的输入

选取第IV类场地一条人工波和两条天然波，分别为上海人工波3、TRI和天津波。地震波反应谱曲线与规范反应谱曲线对比如图2所示。多遇地震作用下非隔震结构弹性时程计算与振型分解反应谱计算的结构底部剪力的比值如表1所示。

图2 地震波反应谱曲线与规范反应谱曲线对比

表1 多遇地震作用下非隔震结构的底部剪力

由以上可知，所选取的地震波满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）5.1.2条规定。

2.5 分析工况

复摩擦摆支座的屈服位移Dy取2mm，设计位移Dd取150mm，最大动摩擦系数和最小动摩擦系数取相等。对复摩擦摆支座曲率半径R分别为1m、3m 的隔震结构进行多遇、设防和罕遇地震作用下的弹性时程分析，与非隔震结构时程分析结果对比，研究复摩擦摆支座曲率半径对木结构古建筑隔震结构地震响应的影响；对复摩擦摆支座摩擦系数μ 分别为0.03、0.11 的隔震结构进行多遇、设防和罕遇地震作用下的弹性时程分析，与非隔震结构时程分析结果对比，研究复摩擦摆支座摩擦系数对木结构古建筑隔震结构地震响应的影响。从而得到适合本工程的最优化复摩擦摆设计参数。

2.6 时程分析结果及讨论

各种工况时程分析结果取三条地震波时程计算结果的包络值，见图3～图6（放大倍数=隔震结构时程计算结果/非隔震结构时程计算结果）。

图3 设防地震下柱底剪力和相对位移的放大倍数随曲率半径增加的变化趋势图

图4 设防地震下柱底剪力和相对位移的放大倍数随摩擦系数增加的变化趋势图

图5 罕遇地震下支座最大水平位移随曲率半径增加的变化趋势图

图6 罕遇地震下支座最大水平位移随摩擦系数增加的变化趋势图

（1）由图3可知，在设防地震作用下，当支座的摩擦系数相同时，隔震结构的柱底剪力和整体相对位移随着支座曲率半径的增大而减小。由图4可知，在设防地震作用下，当支座的曲率半径相同时，隔震结构的柱底剪力和整体相对位移随着支座摩擦系数的增大而增大。对比图3与图4可知，支座曲率半径对隔震结构的柱底剪力和整体相对位移的影响较小；支座摩擦系数对隔震结构的柱底剪力和整体相对位移的影响较大。即隔震效果对支座摩擦系数的改变更为敏感。

（2）由图5可知，在罕遇地震作用下，当支座的摩擦系数相同时，支座的最大水平位移随着支座曲率半径的增加而增加。由图6可知，在罕遇地震作用下，当支座的曲率半径相同时，支座的最大水平位移随着支座摩擦系数的增加而降低。对比图5与图6可知，支座的曲率半径对支座的最大水平位移影响较小；支座的摩擦系数对支座的最大水平位移影响较大。

综合考虑，当R=1m，μ=0.03 时，隔震效果较好，且支座最大残余位移较小，隔震层复位能力较好。罕遇地震作用下，复摩擦摆支座滞回曲线如图7所示。