三维减隔震支座的试验研究

摘要：研究适用于大跨空间结构三维复合隔震的支座，使其具有能水平与竖向同时隔震；良好的耗能能力；震后自复位功能；耐候、耐久性强；具有足够的抗拔与转动能力。此外，支座的高度不宜太大，否则在隔震支座处会出现较大的附加弯矩，不利于支座的稳定。本文针对三维复合隔震支座的要求，进行了以下设计研发工作。

关键词：三维复合隔震；自复位；支座的性能

一、支座的模型探讨

（一）支座设计的关键问题。保证支座的承载力；水平隔震和震后支座的复位能力；

竖向隔震功能的实现；支座的抗拔和转动的设计；避免支座水平刚度与竖向刚度的耦合。

（二）支座概念模型。

（三）支座水平隔震设计。大跨结构的支座一般安装在柱顶，系高位隔震。为降低支座的高度，水平隔震拟采用聚四氟乙烯摩擦平板滑移装置。聚四氟乙烯摩擦滑移装置在产生摩擦滑移后，由串联水平复位弹簧提供水平回复力。

（四）支座竖向隔震设计。

复合隔震支座的竖向拟采用柱状螺旋压缩弹簧或碟形弹簧。大跨网格屋盖结构为钢结构，其延性较好，且空间整体性强。因此只要适当降低竖向地震对结构的输入，结构就可避免强震震害。竖向隔震可认为是部分减震，即采用竖向隔震装置消减有可能使结构产生塑性变形部分的能量。竖向弹簧设计基本要求：

1.具有足够的承载力。

2.刚度要适中。

3.弹簧的自振频率要远离隔震结构的主振频率。

（五）支座抗拔与转动设计。三维复合隔震支座的抗拔由构造解决；支座的竖向采用多组弹簧，弹簧压缩位移的存在为支座的转动提供了保证，通过合理布置竖向弹簧即可使支座获得良好的转动能力。

二、支座的性能试验研究

（一）试验支座的技术指标。

根据大跨结构的隔震特点和非线性分析要求，对支座进行模型试验。为便于对比研究，模型试验采用三组支座，各组支座的水平隔震系统相同，而三维支座的竖向隔震分别采用柱状螺旋弹簧与碟形弹簧，另一类为水平支座。试验支座的主要技术指标如下：

竖向极限承载力：350kN；

水平承载力：50 kN；

水平允许滑移量：60mm；

竖向位移限值：3DSIB-DS 为30mm

3DSIB-HS为60mm；

允许转角：0.004rad；

（二）模型详图。

根据试验要求，共加工了水平摩擦隔震支座、碟簧三维复合隔震支座和螺旋弹簧三维复合隔震支座三类支座。

（三）试验内容。测定应用于实际支座的聚四氟乙烯板与钢间的摩擦系数，为支座设计提供参考依据；测试支座的水平与竖向隔震性能，考察支座在地震激励作用下的滞回特性，同时测试竖向地震作用对支座水平隔震性能的影响；考察竖向刚度变化对支座水平隔震性能的影响。

（四）试验装置。

支座的性能试验均在振动台上进行，为了实现在振动台上施加竖向荷载，试验单独设计加工了竖向加载刚架，将竖向加载液压伺服仪固定于刚架。试验时竖向加载采用力控，水平滑动由位移控制。竖向力由液压伺服仪提供，水平运动由振动台控制，水平与竖向位移均由位移计测定，水平力由力传感器采集。

（五）试验结果。

支座水平滞回曲线（竖向弹簧）支座水平滞回曲线（竖向固定）

三、结语

（一）支座的竖向力学性能测试表明。碟形弹簧具有一定的阻尼特征，其等效阻尼比约为0.10～0.15，阻尼比与加载频率、竖向预压荷载等因素相关，随加载频率与预压荷载的增加而有所提高；柱状螺旋弹簧在反复荷载作用下其位移与荷载关系基本呈线性，与该类弹簧的理论性能一致，同时也说明支座在水平与竖向地震作用下的竖向变形是自由的，支座水平隔震系统不影响其竖向隔震装置的竖向刚度。

（二）支座的水平隔震性能试验表明。在简谐激励作用下摩擦滑移隔震系统具有良好的耗能能力，其滞回曲线为平行四边形，具有弹塑性阻尼特征。支座的水平隔震性能与竖向荷载、滑移速度等因素相关。当水平单向输入地震激励时，三类支座的滞回特征与简谐激励作用相似，支座也具有良好的耗能能力。

（三）当水平与竖向同时输入地震激励时，支座的滞回曲线出现小波动。但其包络线的形状总体与简谐激励下的滞回曲线形状相似，这说明在双向地震作用下支座的性能仍较为稳定，与单向输入相比，双向输入时的滞回曲线更趋饱满。试验同时还发现，在地震激励作用下，三类支座的峰值位移随输入加速度峰值的增加呈线性增长，这对大震下控制支座位移具有重要意义。

（四）对比分析三类支座的水平滞回曲线可看出，支座的滞回性能具有相同特征。这表明竖向刚度在一定的条件下变化对支座的水平隔震性能不会产生重要影响，支座的水平刚度与竖向刚度可视为非耦合。其中，刚度变化导致支座水平滞回曲线的部分影响，可通过试验结果确定合理的滞回特征参数进行调整。

三维复合隔震支座的性能试验与隔震效果分析表明，此支座在水平具有良好的滞回性能，在竖向具有部分隔震功能，这与支座的设计初衷是一致的；采用支座隔震后的机库结构的轴力与加速度响应均得到了有效的降低，而支座的水平位移值可控制在设计范围内。

三维复合隔震支座同时具有良好的抗拔与转动能力，是适用于大跨空间结构复合隔震的一种较为理想的支座。