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摘 要：组合基础隔震系统能充分利用不同隔震支座体系的优势，有效减弱建筑上部结构地震反应。文章结合组合基础隔震系统在工程中的应用，采用组合隔震支座分析模型进行计算分析，并利用房屋模型振动台试验，通过结果比较，研究分析组合基础隔震系统的地震反应及其恢复力。结果表明组合基础隔震系统不仅能有效地削弱建筑上部结构的地震反应，而且能保证隔震层的变形在安全范围之内。
关键词：组合基础隔震；工程应用；模型分析；振动台试验
中图分类号：TU352.12 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0043-03
传统的抗震设计通常以结构刚度吸收地震输入能量为基础，进而保证建筑仍能正常使用以及保证人身安全，但总是难以避免因建筑变形导致的人身伤亡和物品的破坏；而基础隔震系统则是凭借隔震层吸收地震能量近乎都由基础隔震层吸，防止结构破坏，确保人员和物品安全。基础隔震系统利用耗能器消减地震输入能，通过隔震可控制能量向上传递。因而基础隔震系统通常选用具有刚塑性、粘塑性、粘滞阻尼型、弹塑性的隔震器或组合式隔震器。
组合基础隔震系统是将复位元件和滑移摩擦隔震支座结合起来，将两种不同类型的隔震高效的组合在一起，使其既拥有摩擦耗能能力，又拥有复位能力，使系统震后恢复原位。
本文研究选用组合基础隔震系统是由叠层橡胶支座和滑板摩擦支座组合而成，系统中滑板摩擦支座滞回耗能，叠层橡胶支座提供复位力。这种组合基础隔震系统隔震原理简明，效果显著。
本文先介绍组合基础隔震系统在广州大学行政办公楼工程中的应用实例，随后通过建立合理的组合隔震支座分析模型，进行组合隔震支座的恢复力及加速度反应幅值计算，并利用房屋模型振动台试验，进行试验验证分析，通过对分析模型的计算结果和振动台试验结果进行比较，对组合基础隔震系统进行地震反应对比分析及恢复力研究，对其震性能进行较为全面准确的分析和讨论。
1 组合基础隔震系统工程应用
广州大学行政办公楼工程包括两栋六层框架结构办公楼，把左侧的一栋办公楼采用组合基础隔震系统建成隔震结构。隔震层设置在地下室与首层之间，隔震层平面尺寸约为73 m×143 m，结构抗震设防烈度为7 ？觷，建筑场地属II类场地。总建筑面积约30 000 m2。两栋办公楼中将安装强震仪。
组合基础隔震系统选用橡胶隔震支座（包括普通橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座）和弹性滑板支座两种类型隔震支座。此工程中共使用各类支座209个。
广州大学行政办公楼工程组合基础隔震系统中，在对应竖向长期设计荷载相对较小的柱的位置布置弹性滑板支座，剪力墙在大震时会出现拉应力，在其下布置铅芯橡胶支座，在其它柱位布置普通橡胶支座。为保证隔震层拥有相对较大的变形能力，该布置方式中选用直径较大的橡胶支座，大约为500 mm。
该工程中依据支座极限承载能力，采用的直径为300 mm滑板支座中四氟板，其最大设计面压为20 MPa；直径为350 mm橡胶支座，其最大设计面压为15 MPa。
对工程中的全部支座进行了一系列性能测试，支座的测试内容包括竖向刚度、屈服力和剪切变形100%时水平刚度等方面性能。该工程水平剪切变形100%时隔震层测试结果见表1。在设计竖向压力1 400 kN时，四氟板和不锈钢板面间不添加润滑剂时，水平恢复性能良好，水平摩擦系数为4%，屈服前刚度为4.25 kN/mm，不锈钢板面与四氟板之间加硅脂油润滑情况下水平恢复性能良好，水平摩擦系数为0.6%。
经过对支座的一系列检测和计算分析，得出如下结论：广州大学行政办公楼工程中科学合理的运用了组合基础隔震系统，在遭遇大震时建筑保持结构性能，并且能控制隔震层水平变形幅度，使其在合理区间内浮动。
2 组合隔震支座分析模型
组合基础隔震系统中，由于叠层橡胶支座具有良好的弹性性能，因而系统的向心复位力由叠层橡胶支座提供。在叠层橡胶支座水平方向采用一粘滞阻尼器和一线性弹簧的组合方式，将叠层橡胶支座简化为一线弹性粘滞阻尼隔震器，采用竖向力—变形采用线弹性模型模拟分析。叠层橡胶支座水平力恢复力Frb计算公式如下：
Frb=Frb？孜+Frb1
式中：Frb？孜为叠层橡胶支座粘滞恢复力，Frb1为叠层橡胶支座弹性恢复力。
滑移摩擦支座水平方向采用一粘滞阻尼器和库仑阻尼器组合的隔震器，竖向力—变形也采用线弹性模型进行模拟分析。滑移摩擦支座水平恢复力Fsb计算公式如下：
Fsb=Fsb？孜+Fsbh
式中：Fsb？孜为隔震支座粘滞阻尼器的粘滞恢复力，Fsbh为双线性有库仑阻尼器的滞回恢复力。
多自由度基础隔震系统的运动方程如下：
[M]ü+[C]FF■■+[K]FFu+ 0Fsb（u1）+Frb（u1）=-[M]lüg
式中：[M]为系统的质量矩阵，[C]FF为基底隔震器阻尼和刚度为零的阻尼矩阵，[K]FF为基底隔震器阻尼和刚度为零的刚度矩阵，Frb（u1）为叠层橡胶支座的水平恢复力，Fsb（u1）滑移摩擦支座的水平恢复力，ü为系统的加速度、■■为系统的速度、u为系统的位移列向量，u1为隔震层的位移，üg为震动输入加速度，1为单位列向量。通过ANSYS5.5的求解器用Newmark有限差分法进行其运动方程计算求解。
对采用的隔震房屋模型进行非线性动力时程分析，结构粘滞阻尼采用瑞雷阻尼假定，上部结构粘滞阻尼比试验值取2.2%，叠层橡胶支座粘滞阻尼比ξb取3%，滑动摩擦支座粘滞阻尼比ξb取5%。
组合隔震支座分析模型的计算及理论分析结果，在后文中与组合基础隔震房屋模型振动台试验结果进行统一陈述和比较，详见第4节。
3 组合基础隔震房屋模型振动台试验 以实际房屋为参照，依照振动台承载能力和结构相似理论，设计了一钢框架试验模型。对组合基础隔震房屋模型和基础固定房屋模型进行一系列振动台对比试验，并进一步对试验所得结果进行比较和分析。模型和原型采用的相似关系见表2。试验采用中四个叠层橡胶支座和二个滑板摩擦支座作为模型的隔震支座。
试验采用四种地震波型（Hachinohe、EI Centro、Taft、Kobe）对模型进行单向、双向和三向输入。组合基础隔震房屋模型试验输入加速度幅值为0.26～0.78 g；基础固定房屋模型试验输入加速度幅值为0.10～0.25 g。
为得到隔震模型结构的阻尼比、自振频率、传递函数，试验前先用白噪声对模型进行扫描。组合基础隔震试验进行了40个工况，测试内容有结构加速度反应、隔震层及支座力位移、层间位移和柱应变反应等。基础固定房屋模型做了22个工况，测试内容与隔震系统基本相同。试验结束后对隔震支座复位进行了详细检查，支座复位良好。
模型结构分析和试验各楼层x向加速度反应幅值曲线如图1所示，由图可见Hachinohe波输入时相差稍大，并未考虑大应变时支座参数变化，实测值比计算值大，但分析误差在仅15%左右，El Centro波输入时模型上部结构加速度反应试验实测值和计算值相差无几。
组合基础隔震系统中，变形主要集中在隔震层，通过滑移摩擦支座滑移耗散地震动输入能量，通过叠层橡胶支座复位力，保证系统能良好复位。Hachinohe和El Centro地震波输入时x、y方向分析和试验隔震层位移反应时程曲线吻合较好。组合基础隔震系统中，滑移摩擦支座力—位移表现出良好的双向性库仑摩擦滞回特性。El Centro地震波输入时力—位移滞回曲线分析和试验结果中，叠层橡胶支座滞回曲线相似，而摩擦滑移支座滞回曲线相近。
组合基础隔震系统加大了结构阻尼比，降低加速度幅值，并使模型第一振型频率降低了。模型层间相对位移微小，结构上部保持在弹性范围内。组合基础隔震系统将地震输入能量通过滑移摩擦支座滑移滞回变形耗散，通过隔着层削弱了地震能量向上的传递，有效减弱了建筑结构受到的损伤。
4 结 语
通过结合工程实例以及模型分析与振动台试验，全面准确的分析讨论组合基础隔震系统隔震性能，得出以下结论：
①广州大学行政办公楼工程中科学合理的运用了组合基础隔震系统，在遭遇大震时建筑保持结构性能，并且能控制隔震层水平变形幅度，使其保持在合理范围内。
②经研究分析组合基础隔震房屋模型振动台试验数据发现，叠层橡胶隔震支座和滑移摩擦隔震支座的滞回环面积，前者面积较小和后者面积较大，分别展现出良好的弹性复位能力和耗能能力。
③组合基础隔震系统能有效地降低建筑上部结构的地震反应，以及变现出良好的自动复位能力和耗能能力，适合隔震设计和工程应用中的多层房屋及高宽比较小（β≤2）的高层房屋。
④组合基础隔震系统能安不同类型隔震支座的优点有效结合在一起，构成理想的隔震层，削弱建筑结构的地震反应，确保地震作用仍能正常工作，是一种优秀的能满足实际工程的隔震方案。
参考文献：
[1] 吕西林，朱玉华.组合基础隔震房屋模型振动台试验研究[J].土木工程学报，2001，（2）.
[2] 朱玉华，吕西林.组合基础隔震系统地震反应分析[J].土木工程学报，2004，（5）.
[3] 王建强，丁永刚，李大望.组合基础隔震结构双向地震反应分析[J].地震工程与工程振动，2007，（5）.
[4] 魏陆顺，周福霖，刘文光.组合基础隔震在建筑工程中的应用[J].地震工程与工程振动，2007，（2）.
[5] 魏陆顺，周福霖，刘文光.广州大学城应用组合基础隔震技术[J].建设科技，2005，（2）.
[6] 徐义，卢文胜.并联组合基础隔震体系的简化计算方法及实验分析[J].结构工程师，2011，（S1）.
关键词：组合基础隔震；工程应用；模型分析；振动台试验
中图分类号：TU352.12 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0043-03
传统的抗震设计通常以结构刚度吸收地震输入能量为基础，进而保证建筑仍能正常使用以及保证人身安全，但总是难以避免因建筑变形导致的人身伤亡和物品的破坏；而基础隔震系统则是凭借隔震层吸收地震能量近乎都由基础隔震层吸，防止结构破坏，确保人员和物品安全。基础隔震系统利用耗能器消减地震输入能，通过隔震可控制能量向上传递。因而基础隔震系统通常选用具有刚塑性、粘塑性、粘滞阻尼型、弹塑性的隔震器或组合式隔震器。
组合基础隔震系统是将复位元件和滑移摩擦隔震支座结合起来，将两种不同类型的隔震高效的组合在一起，使其既拥有摩擦耗能能力，又拥有复位能力，使系统震后恢复原位。
本文研究选用组合基础隔震系统是由叠层橡胶支座和滑板摩擦支座组合而成，系统中滑板摩擦支座滞回耗能，叠层橡胶支座提供复位力。这种组合基础隔震系统隔震原理简明，效果显著。
本文先介绍组合基础隔震系统在广州大学行政办公楼工程中的应用实例，随后通过建立合理的组合隔震支座分析模型，进行组合隔震支座的恢复力及加速度反应幅值计算，并利用房屋模型振动台试验，进行试验验证分析，通过对分析模型的计算结果和振动台试验结果进行比较，对组合基础隔震系统进行地震反应对比分析及恢复力研究，对其震性能进行较为全面准确的分析和讨论。
1 组合基础隔震系统工程应用
广州大学行政办公楼工程包括两栋六层框架结构办公楼，把左侧的一栋办公楼采用组合基础隔震系统建成隔震结构。隔震层设置在地下室与首层之间，隔震层平面尺寸约为73 m×143 m，结构抗震设防烈度为7 ？觷，建筑场地属II类场地。总建筑面积约30 000 m2。两栋办公楼中将安装强震仪。
组合基础隔震系统选用橡胶隔震支座（包括普通橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座）和弹性滑板支座两种类型隔震支座。此工程中共使用各类支座209个。
广州大学行政办公楼工程组合基础隔震系统中，在对应竖向长期设计荷载相对较小的柱的位置布置弹性滑板支座，剪力墙在大震时会出现拉应力，在其下布置铅芯橡胶支座，在其它柱位布置普通橡胶支座。为保证隔震层拥有相对较大的变形能力，该布置方式中选用直径较大的橡胶支座，大约为500 mm。
该工程中依据支座极限承载能力，采用的直径为300 mm滑板支座中四氟板，其最大设计面压为20 MPa；直径为350 mm橡胶支座，其最大设计面压为15 MPa。
对工程中的全部支座进行了一系列性能测试，支座的测试内容包括竖向刚度、屈服力和剪切变形100%时水平刚度等方面性能。该工程水平剪切变形100%时隔震层测试结果见表1。在设计竖向压力1 400 kN时，四氟板和不锈钢板面间不添加润滑剂时，水平恢复性能良好，水平摩擦系数为4%，屈服前刚度为4.25 kN/mm，不锈钢板面与四氟板之间加硅脂油润滑情况下水平恢复性能良好，水平摩擦系数为0.6%。
经过对支座的一系列检测和计算分析，得出如下结论：广州大学行政办公楼工程中科学合理的运用了组合基础隔震系统，在遭遇大震时建筑保持结构性能，并且能控制隔震层水平变形幅度，使其在合理区间内浮动。
2 组合隔震支座分析模型
组合基础隔震系统中，由于叠层橡胶支座具有良好的弹性性能，因而系统的向心复位力由叠层橡胶支座提供。在叠层橡胶支座水平方向采用一粘滞阻尼器和一线性弹簧的组合方式，将叠层橡胶支座简化为一线弹性粘滞阻尼隔震器，采用竖向力—变形采用线弹性模型模拟分析。叠层橡胶支座水平力恢复力Frb计算公式如下：
Frb=Frb？孜+Frb1
式中：Frb？孜为叠层橡胶支座粘滞恢复力，Frb1为叠层橡胶支座弹性恢复力。
滑移摩擦支座水平方向采用一粘滞阻尼器和库仑阻尼器组合的隔震器，竖向力—变形也采用线弹性模型进行模拟分析。滑移摩擦支座水平恢复力Fsb计算公式如下：
Fsb=Fsb？孜+Fsbh
式中：Fsb？孜为隔震支座粘滞阻尼器的粘滞恢复力，Fsbh为双线性有库仑阻尼器的滞回恢复力。
多自由度基础隔震系统的运动方程如下：
[M]ü+[C]FF■■+[K]FFu+ 0Fsb（u1）+Frb（u1）=-[M]lüg
式中：[M]为系统的质量矩阵，[C]FF为基底隔震器阻尼和刚度为零的阻尼矩阵，[K]FF为基底隔震器阻尼和刚度为零的刚度矩阵，Frb（u1）为叠层橡胶支座的水平恢复力，Fsb（u1）滑移摩擦支座的水平恢复力，ü为系统的加速度、■■为系统的速度、u为系统的位移列向量，u1为隔震层的位移，üg为震动输入加速度，1为单位列向量。通过ANSYS5.5的求解器用Newmark有限差分法进行其运动方程计算求解。
对采用的隔震房屋模型进行非线性动力时程分析，结构粘滞阻尼采用瑞雷阻尼假定，上部结构粘滞阻尼比试验值取2.2%，叠层橡胶支座粘滞阻尼比ξb取3%，滑动摩擦支座粘滞阻尼比ξb取5%。
组合隔震支座分析模型的计算及理论分析结果，在后文中与组合基础隔震房屋模型振动台试验结果进行统一陈述和比较，详见第4节。
3 组合基础隔震房屋模型振动台试验 以实际房屋为参照，依照振动台承载能力和结构相似理论，设计了一钢框架试验模型。对组合基础隔震房屋模型和基础固定房屋模型进行一系列振动台对比试验，并进一步对试验所得结果进行比较和分析。模型和原型采用的相似关系见表2。试验采用中四个叠层橡胶支座和二个滑板摩擦支座作为模型的隔震支座。
试验采用四种地震波型（Hachinohe、EI Centro、Taft、Kobe）对模型进行单向、双向和三向输入。组合基础隔震房屋模型试验输入加速度幅值为0.26～0.78 g；基础固定房屋模型试验输入加速度幅值为0.10～0.25 g。
为得到隔震模型结构的阻尼比、自振频率、传递函数，试验前先用白噪声对模型进行扫描。组合基础隔震试验进行了40个工况，测试内容有结构加速度反应、隔震层及支座力位移、层间位移和柱应变反应等。基础固定房屋模型做了22个工况，测试内容与隔震系统基本相同。试验结束后对隔震支座复位进行了详细检查，支座复位良好。
模型结构分析和试验各楼层x向加速度反应幅值曲线如图1所示，由图可见Hachinohe波输入时相差稍大，并未考虑大应变时支座参数变化，实测值比计算值大，但分析误差在仅15%左右，El Centro波输入时模型上部结构加速度反应试验实测值和计算值相差无几。
组合基础隔震系统中，变形主要集中在隔震层，通过滑移摩擦支座滑移耗散地震动输入能量，通过叠层橡胶支座复位力，保证系统能良好复位。Hachinohe和El Centro地震波输入时x、y方向分析和试验隔震层位移反应时程曲线吻合较好。组合基础隔震系统中，滑移摩擦支座力—位移表现出良好的双向性库仑摩擦滞回特性。El Centro地震波输入时力—位移滞回曲线分析和试验结果中，叠层橡胶支座滞回曲线相似，而摩擦滑移支座滞回曲线相近。
组合基础隔震系统加大了结构阻尼比，降低加速度幅值，并使模型第一振型频率降低了。模型层间相对位移微小，结构上部保持在弹性范围内。组合基础隔震系统将地震输入能量通过滑移摩擦支座滑移滞回变形耗散，通过隔着层削弱了地震能量向上的传递，有效减弱了建筑结构受到的损伤。
4 结 语
通过结合工程实例以及模型分析与振动台试验，全面准确的分析讨论组合基础隔震系统隔震性能，得出以下结论：
①广州大学行政办公楼工程中科学合理的运用了组合基础隔震系统，在遭遇大震时建筑保持结构性能，并且能控制隔震层水平变形幅度，使其保持在合理范围内。
②经研究分析组合基础隔震房屋模型振动台试验数据发现，叠层橡胶隔震支座和滑移摩擦隔震支座的滞回环面积，前者面积较小和后者面积较大，分别展现出良好的弹性复位能力和耗能能力。
③组合基础隔震系统能有效地降低建筑上部结构的地震反应，以及变现出良好的自动复位能力和耗能能力，适合隔震设计和工程应用中的多层房屋及高宽比较小（β≤2）的高层房屋。
④组合基础隔震系统能安不同类型隔震支座的优点有效结合在一起，构成理想的隔震层，削弱建筑结构的地震反应，确保地震作用仍能正常工作，是一种优秀的能满足实际工程的隔震方案。
参考文献：
[1] 吕西林，朱玉华.组合基础隔震房屋模型振动台试验研究[J].土木工程学报，2001，（2）.
[2] 朱玉华，吕西林.组合基础隔震系统地震反应分析[J].土木工程学报，2004，（5）.
[3] 王建强，丁永刚，李大望.组合基础隔震结构双向地震反应分析[J].地震工程与工程振动，2007，（5）.
[4] 魏陆顺，周福霖，刘文光.组合基础隔震在建筑工程中的应用[J].地震工程与工程振动，2007，（2）.
[5] 魏陆顺，周福霖，刘文光.广州大学城应用组合基础隔震技术[J].建设科技，2005，（2）.
[6] 徐义，卢文胜.并联组合基础隔震体系的简化计算方法及实验分析[J].结构工程师，2011，（S1）.