传统的抗震体系是用主体结构构件屈服来消耗地震能量, 而隔震结构是通过在基础结构和上部结构之间设置隔震层, 使上部结构与地震动的水平成分绝缘, 切断地震动向上传播的途径。摩擦摆支座 (friction pendulum bearing, 简称FPB) 是由Zayas等^[1,2]于1985年在美国加州大学伯克利分校研发所得。Zayas等^[3,4]对摩擦摆支座在温度、时间、热运动等影响因素下进行了试验, 结果证明了摩擦摆在动力测试下的有效性和可预测性, 同时其高抗压性和稳定性可以防止支座过载, 提供可靠的安全机制。摩擦摆隔震体系在抵御强烈水平地震作用方面更具优势, 在罕遇烈度地震作用下, 在支座最大位移以及上部结构的层间位移两方面都要略优于橡胶支座的隔震方案, 且结构的恢复能力更优^[5,6]。

　　 本课题组在MTS试验台上测试了摩擦单摆支座的滞回性能试验, 并分析研究了其加载速率、竖向压力对支座滞回性能的影响规律。由于超高分子聚乙烯的抗压能力优于聚四氟乙烯的抗压能力, 因此本次试验支座的摩擦材料选用了超高分子聚乙烯。图1为支座实体图, 图2为试验过程中拍摄的图片。试验过程中, 先后对超高分子聚乙烯摩擦板进行了润滑摩擦和干摩擦试验, 同时探究了超高分子聚乙烯摩擦板在进行干摩擦和在其表面涂硅脂进行润滑摩擦时两者的区别。由于篇幅有限, 以下只对其水平滞回特性进行讨论分析。

　　 根据试验数据, 分别绘制了润滑摩擦以及干摩擦时支座的滞回曲线, 包括竖向压力为100kN和250kN时加载速度分别为5, 40, 120, 180mm/s下支座的滞回曲线, 以及加载速度分别为40mm/s和180mm/s时竖向压力分别为100, 150, 200, 250kN下支座的滞回曲线。图3和图4为竖向压力为100kN和250kN时不同加载速率下支座的滞回曲线;图5和图6为加载速度为40mm/s和180mm/s时不同竖向压力下支座的滞回曲线。

　　 从图3～6可以直观地看出, 润滑摩擦和干摩擦时支座的滞回曲线均很饱满, 且干摩擦更加饱满。由图3, 4可知, 对于润滑摩擦, 当竖向压力一定时, 随着加载速率的增加, 支座的滞回曲线几乎重合, 支座的耗能能力基本不变;对于干摩擦, 当竖向压力一定时, 随着加载速率的增加, 支座的滞回曲线明显变得更饱满, 支座的耗能能力提高。由图5, 6可知, 对于润滑摩擦和干摩擦, 当滑块的水平滑移速度一定时, 随着竖向力的增大, 滞回曲线趋于饱满, 支座的耗能能力提高。图3～6直观地反映了摩擦材料为超高分子聚乙烯时, 摩擦摆支座的耗能能力良好。另一方面考虑到摩擦材料为超高分子聚乙烯的承压能力优于聚四氟乙烯材料, 下面的工程拟采用超高分子聚乙烯为摩擦材料的摩擦摆支座来进行隔震分析。

　　 该项目位于宕昌县庞家乡, 为地上四层框架结构。在±0.000m设置隔震层, 隔震层层高为2.0m;一层为教室、阅览室, 层高为3.60m;二层为办公室, 层高为3.60m;三、四层为宿舍, 层高均为3.30m, 室内外高差为0.3m。结构主体总长度为35.80m, 总宽度为8.20m, 结构主体高度为14.10m。该建筑高宽比为1.72, 长宽比为4.37。建筑抗震设防类别为重点设防 (乙) 类, 抗震设防烈度为8度 (0.2g) , 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.4s。

　　 采用有限元软件ETABS对该隔震结构进行弹性及弹塑性时程分析, 验证该隔震建筑的地震反应^[7]。根据该工程的PKPM计算模型, 分别建立ETABS的非隔震模型和隔震模型, 有限元模型如图7所示。对比分析了非隔震时的ETABS模型和SATWE模型求得的质量、周期和振型分解反应谱法求得的层间剪力, 如表1所示。由表1可知, 两种模型的质量偏差控制在10%以内, 周期偏差在3%以内, 剪力偏差控制在20%以内, 符合相关要求。

　　 根据每根柱子的竖向压力以及结构预设周期, 该结构合理布置了三种类型的摩擦摆支座。图8为支座支墩与柱连接详图, 表2和图9分别为各型号支座的力学性能参数设置以及支座的布置图。

　　 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[8] (简称抗规) 规定, 自地震波数据库选取了与建筑场地未来可能发生的地震波基本吻合的地震波^[9]。按设防地震作用和罕遇地震作用, 分别选取了两组5条实际强震记录和2条人工模拟加速度时程, 其中设防地震下选取地震波的特征周期接近0.4s, 罕遇地震下选取地震波的特征周期接近0.45s, 总共选择了10条实际强地震记录和4条人工模拟加速度时程, 所选地震波的加速度峰值均为0.1g。通过对比分析, 所选地震波的平均反应谱与规范设计反应谱较接近。表3为设防地震作用下选取的地震波wave1-1～wave1-7以及罕遇地震作用下选取的地震波wave2-1～wave2-7基本情况, 其中地震波wave1-6, wave1-7, wave2-6, wave2-7为人工波, 其余均为实际地震记录波。

　　 对非隔震结构和隔震结构进行了模态分析, 对比分析其前3阶振型的自振周期, 如表4所示。由此可知, 隔震结构的前3阶自振周期均明显延长, 避免地震时因结构自振周期与场地的卓越周期接近而发生共振。

　　 利用有限元软件ETABS对结构进行设防地震作用下和罕遇地震作用下的动力时程分析, 设防地震作用下输入地震波的加速度峰值调整为200.0cm/s², 罕遇地震作用下输入地震波的加速度峰值调整为400.0cm/s^2[10]。

　　 通过计算, 对比分析隔震结构与非隔震结构的两方向周期差可知, 采用隔震技术后, 两方向的周期相差不超过较小值的30%^[11], 如表5所示。

　　 根据抗规第12.2.5条, 结构隔震后的水平地震影响系数的最大值为:

　　 $\alpha {}_{\max 1}=\beta \alpha {}_{\max }/\psi (1)$

　　 注:α_max1为隔震结构水平地震影响系数最大值;β为水平向减震系数;α_max为非隔震结构的水平地震影响系数最大值;ψ为调整系数。

　　 根据隔震与非隔震两种情况, 得到结构在各条波作用下的层间剪力和层间剪力比, 根据平均后的最大层间剪力比, 得到结构的水平向减震系数和隔震后的水平地震影响系数, 如表6所示。

　　 根据抗规要求, 水平地震影响系数α_max1取0.08, 上部结构的水平地震作用可降低处理。根据《甘肃省建筑抗震设计规程》 (DB 62/T25-3055—2011) 的规定, 结构的水平向减震系数小于0.4, 设防烈度为8度, 高度为14.10m<24m的乙类建筑, 隔震后上部结构的抗震措施可降低一度处理, 即按7度设防。

　　 通过计算得出罕遇地震作用下各支座的最大水平位移均小于摩擦摆支座的最大滑移位移, 如表7所示, 地震波wave2-6作用下各支座均满足摩擦摆支座的位移限值 (300mm) 要求。

　　 由于该结构在设防地震作用下的减震系数大于0.3, 因此在罕遇地震作用下验算时可不考虑上部结构的竖向地震作用, 验算拉应力时荷载组合为:

　　 $S=S{}_{\text{D}}+S{}_{\text{E}\text{h}\text{k}}(2)$

　　 验算压应力时取荷载组合:

　　 S=S_GE+S_Ehk=S_D+0.5S_L+S_Ehk (3)

　　 经计算最终结构各支座在罕遇地震作用下, 受压的支座压应力均小于设计允许压应力45MPa, 满足要求^[8]。有两个支座受拉力, 拉应力均小于1MPa, 满足抗规要求。

　　 表8为地震波wave2-6作用下结构隔震前后层间位移的对比, 可以看出在地震作用下, 摩擦摆支座的设置对于结构起到了较好的消能减震效果;隔震结构的变形主要集中在结构的隔震层, 反映出隔震层有效地消耗了地震动能量;隔震后结构层间位移幅值在X向和Y向分别减小了30.51%和27.44%, 有效地降低了上部结构的反应。

　　 图10为罕遇双向地震作用下非隔震结构与摩擦摆支座隔震结构的楼层相对加速度峰值对比图。根据图10可以看出:与非隔震结构的楼层相对加速度峰值相比, 设置隔震支座后, 隔震层上部结构的峰值加速度明显减小, 但是由于隔震后, 隔震层的水平刚度变小, 对下部结构而言相当于释放了一定的刚度, 从而下部结构的相对加速度峰值较非隔震结构有所增加。

　　 对采用超高分子聚乙烯摩擦材料的摩擦摆支座进行拟静力试验, 并将采用该支座对某幼儿园进行隔震设计, 由此可得以下结论:

　　 (1) 摩擦摆支座的滞回耗能能力良好。对于润滑摩擦, 竖向压力一定时, 随着加载速率的增加, 支座的滞回曲线几乎重合, 即耗能能力基本不变, 说明加载速率对于润滑摩擦时支座的水平滞回特性几乎没有影响;对于干摩擦, 随着加载速率的增加, 支座的滞回曲线更加饱满。当滑块的加载速率一定时, 随着竖向压力的增大, 润滑摩擦和干摩擦时的滞回曲线均趋于饱满, 支座的耗能能力提高。

　　 (2) 运用到实际工程案例, 基于ETABS进行隔震设计, 表明采用该支座后隔震效果良好, 很好地保

　　 护了上部结构;在设防地震作用下计算所得的水平地震影响系数α_max1为0.08, 说明隔震后上部结构的抗震措施可降低一度处理, 即按7度设防;在罕遇地震作用下结构隔震前后楼层位移幅值明显降低, 各楼层峰值加速度显著降低, 各隔震支座的最大水平位移均小于摩擦摆支座的最大滑移位移, 即满足位移限值要求, 且支座的拉、压应力均满足要求, 将避免罕遇地震时隔震支座发生破坏。

　　 (3) 罕遇地震作用下, 相对于非隔震结构的楼层相对加速度峰值而言, 隔震结构隔震层上部结构的峰值加速度明显减小, 而下部结构的相对加速度峰值较非隔震结构有所增加。