考虑增设变刚度抗风支座的隔震结构减震分析

    吴应雄　夏侯唐斌　颜桂云　祁皑

    

    

    

    摘要：基本风压较大地区的隔震结构，隔震层抗风是设计难题。提出隔震层设置变刚度钢板抗风支座来减少铅芯支座數量并提高减震效果的方案。以实际工程为背景，设定结构水平向减震系数小于0.53，0.40和0.27的目标，以此建立三种对比的结构模型并进行时程分析。结果表明：采用隔震橡胶支座和变刚度抗风支座两者相结合的隔震层布置形式合理，达到降低结构地震响应、提高隔震效果和满足抗风设计的目标，但两者数量需要优化设计，进一步提出为保证结构正常使用，铅芯支座水平承载力设计值宜接近风荷载作用下隔震层水平剪力标准值。对抗风支座进行数值模拟和静载荷抗剪试验，结合结构模型时程分析，阐明了抗风支座变刚度的工作机理，表明了抗风支座在正常使用和小震作用条件下提供水平承载力，中震作用条件下屈服破坏退出工作，结构减震效果不变。

    关键词：隔震结构；抗风支座；变刚度；地震响应；试验研究

    引言

    中国沿海地区的工程应用表明，当基本风压较大，隔震结构抗风是设计难题。隔震层普遍采用隔震橡胶支座（简称隔震支座），其抗风设计通常是增加铅芯支座（LRB）的数量，同时减少普通橡胶支座（LNR）数量。这样带来的问题是，隔震层水平刚度增大、位移减少，降低了隔震效果，因此工程设计需要在层间位移受控和隔震效果及满足抗风设计三者间找到平衡点。

    部分学者提出在隔震层增设附加抗风装置，与铅芯支座协同抗风，通过设计抗风装置在不同荷载工况下的工作状态，实现风载或小震作用时，隔震层水平等效刚度较大；中震或大震作用时，隔震层水平刚度较小的变刚度工作机制，以解决抗风设计与减震效果的矛盾。和田章等研究认为，当风荷载或结构高宽比较大的隔震结构，应重点关注抗风设计和风致下的舒适度问题，隔震层由LNR和铅棒阻尼器两者组成的形式，比纯粹采用LRB有更好的隔震效果。日本的工程应用中，隔震层通常由隔震支座、黏滞阻尼器和铅阻尼器或环状钢棒阻尼器组成，这种组合隔震形式有很好的减震效果以及限位和抗风的能力，但阻尼器成本较高且需要的安放空问较大。翁大根等研究了MFPB与黏滞阻尼器协同工作的减震效果，表明了这种组合方式能有效控制隔震体系位移，但同时增大了阻尼和楼层加速度响应。

    中国已建成的工程中，隔震支座与变刚度钢板抗风支座（简称WRS）两者相结合的隔震层布置形式，首先由广州大学工程抗震中心提出并付诸实践，同时取得实用新型专利。应用表明了WRS具有承载力大、安放空问小且震后更换方便等优点。中国现行GB50011-2010建筑抗震设计规范（简称《抗规》（10版））中对于隔震支座与WRS相结合隔震层布置形式没有相关设计规定，对于隔震层抗风设计的研究也少见文献报道，因此有必要在这一方面开展相应的研究工作，为隔震结构的抗风设计提供参考。

    1.结构模型建立和隔震设计

    1.1隔震结构模型原型概况

    隔震结构模型的原型来自于层间隔震试点建筑，工程为厦门某中学教学楼，图1是建筑效果图。建筑5～6层，底层架空，2～6层为教学用房，建筑面积为4095 m2。平面基本规则，最大高宽比为2.37。框架结构，隔震层在底层柱子顶部。抗震设防烈度为7度（0.15g），地震分组为第二组，建筑抗震设防类别为乙类。场地类别为Ⅱ类，特征周期T=0.40 s，场地基本风压为0.80 kN/m2。