隔震建筑橡胶支座与摩擦摆支座对比探讨

李荣达，杨健，赵建宁，田浩，马哲

摘要 : 以一个基础隔震的多层钢筋混凝土框架结构为例，隔震支座分别采用橡胶支座与摩擦摆支座按照《建筑隔震设计标准》[2]的直接设计法进行对比计算分析。通过三种不同的结构计算软件，在不同支座情况下，对上部主体结构隔震后的计算结果进行对比分析。分析结果表明：摩擦摆支座相对橡胶支座在抵御强烈水平地震作用方面更加有优势。

关键词：橡胶支座；摩擦摆支座；建筑隔震；水平向减震系数

1 引言

隔震技术作为目前世界上最有效的建筑防震技术之一，国际和国内均得到了广泛应用。隔震技术的原理为在建筑基础、底部或下部结构与上部结构之间设置隔震支座和阻尼装置等部件，组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，取得良好的隔震效果。

橡胶隔震支座具有较高的竖向承载能力、大水平位移能力和复位功能，当普通橡胶支座与阻尼器、铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座配合使用时可提供较大阻尼，橡胶隔震支座目前工程应用已非常广泛，是目前建筑隔震的主流产品。

摩擦摆支座（FPS）是一种平面滑动隔震装置的改进，其独特的圆弧滑动面不仅使其具有限位和自动复位功能，还能够通过滑动摩擦消耗地震能量，从而大大减小上部结构的地震作用。由于其特有的性能，美国和日本已大量应用，国内工程上也应用越来越广泛。

为更好的在工程中应用隔震支座，提供合理的隔震支座解决方案，本文以一个多层幼儿园建筑基础隔震工程为例，分别采用橡胶支座与摩擦摆支座的基础隔震设计方案，通过多方面分析对比研究，为类似建筑隔震工程设计提供一定的参考。

2 工程概况

本工程为某幼儿园建设项目为主体地上3层，局部4-5层。幼儿园建筑物长度68.90m，宽度45.90m，房屋高度11.70m。上部结构采用钢筋混凝土框架结构。基础采用独立基础，持力层为卵石层。建筑平面超长，呈‘U’字型，平面不规则。幼儿园所在嘉峪关市，抗震设防烈度为8度，地震分组为第二组，地震加速度值为0.20g，特征周期为0.40s。抗震设防类别为乙类。在抗震设防目标为“中震不坏、大震可修、巨震不倒”。

3 隔震支座

3.1 橡胶支座

隔震橡胶支座通常可分为天然橡胶隔震支座（LNR）、铅芯隔震橡胶支座(LRB)和高阻尼隔震橡胶支座(HDR)三大类。隔震橡胶支座由连接件和主体两部分组成。其中主体就是由多层钢板和橡胶片交替叠置而成，连接件包括法兰板和预埋件。

3.2 摩擦摆隔震支座（FPS）

摩擦摆隔震支座是另一种有效的摩擦滑移隔震支座，通过球面摆动延长结构振动周期和滑动截面摩擦消耗地震能量实现隔震功能的隔震支座，由于其具有更高的承载力、更大位移能力和更好的耐久性，还具有良好的稳定性自复位功能和抗平扭能力，在老化、低温、高温扭转等条件下，摩擦摆隔震支座具有明显的优势。

4 计算分析

4.1 计算分析方法

采用了结构计算分析软件YJK 、PKPM、ETABS，按《建筑隔震设计标准》[2]中的直接设计法进行分析计算。

4.2 隔震支座布置

1 橡胶支座布置

共计采用76个橡胶支座，其中普通橡胶支座23个，铅芯橡胶支座53个，均采用Ⅱ型，每个支墩下设置一个。

2 摩擦摆支座布置

共计采用76个摩擦摆支座，每个支墩下设置一个。摩擦摆支座均采用Ⅱ型（双主滑动摩擦面型）。

4.3 地震波选取

根据 II 类场地、设计地震分组为第三组的特征周期0.40秒，地震波选用软件提供的1条人工波和2条天然波。输入的地震加速度峰值：设防地震200cm/s2，罕遇地震400cm/s2。

4.4 计算结果分析

（1）隔震层偏心率验算

隔震层偏心率计算结果见表1。

表1 隔震层偏心率

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	2.827%	2.332%
	PKPM	2.896%	2.232%
	YJK	2.382%	1.937%
Y向	Etabs	2.516%	1.857%
	PKPM	2.472%	2.505%
	YJK	2.041%	1.522%

从上表可知，隔震层在X向和Y向的偏心率均低于3%，满足规范要求；摩擦摆支座的结构偏心率均小于橡胶支座的偏心率。

（2）设防地震作用下上部结构底部剪力

隔震建筑在设防地震作用下上部结构的底部剪力计算结果见表2。

表2 设防地震作用下上部结构底部剪力(kN)

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	11243	10342
	PKPM	11813	10798
	YJK	11388	10536
Y向	Etabs	11265	10236
	PKPM	11766	10730
	YJK	11368	10410

从上表可知，设防地震作用下摩擦摆支座的上部结构底部剪力均小于橡胶支座的底部剪力。

（3）重力荷载代表值作用下隔震支座压应力最大值

隔震支座在重力荷载代表值作用下的压应力最大值计算结果见表3。

表3 重力荷载代表值作用下隔震支座压应力最大值(MPa)

程序	橡胶支座	摩擦摆支座
Etabs	11.97	22.92
PKPM	11.94	22.84
YJK	11.79	23.39

从上表可知，重力荷载代表值的作用下橡胶支座压应力最大值均小于12MPa，摩擦摆支座压应力最大值均小于25MPa，满足规范要求。摩擦摆支座的压应力最大值均大于橡胶支座的压应力最大值。

（4）罕遇地震作用下隔震支座竖向压应力最大值

隔震支座在罕遇地震作用下的竖向压应力最大值计算结果见表4。

表4 罕遇地震作用下隔震支座竖向压应力最大值(MPa)

程序	橡胶支座	摩擦摆支座
Etabs	16.08	20.43
PKPM	15.18	24.43
YJK	15.25	28.44

从上表可知，罕遇地震作用下橡胶支座竖向压应力最大值均小于25MPa，摩擦摆支座竖向压应力最大值均小于50MPa，满足规范要求，说明隔震层具有足够的稳定性和安全性。摩擦摆支座的竖向压应力均大于橡胶支座的竖向压应力。

（5）罕遇地震作用下隔震支座竖向拉应力最大值

隔震支座在罕遇地震作用下的竖向拉应力最大值计算结果见表5。

表5 罕遇地震作用下隔震支座竖向拉应力最大值(MPa)

程序	橡胶支座	摩擦摆支座
Etabs	0.62	0
PKPM	0.38	0
YJK	0.78	0

从上表可知，罕遇地震作用下隔震支座竖向拉应力最大值均小于1.0MPa，满足规范要求。摩擦摆支座均未出现竖向拉应力。

（6）结构自振周期

隔震建筑结构自振周期计算结果见表6。

表6 结构自振周期(s)

类别		橡胶支座	摩擦摆支座
Etabs	T1	2.185	2.561
	T2	2.172	2.549
	T3	1.961	2.395
PKPM	T1	2.285	2.501
	T2	2.276	2.494
	T3	2.062	2.337
YJK	T1	2.218	2.585
	T2	2.211	2.578
	T3	1.993	2.443

从上表可知，摩擦摆支座结构自振周期均大于橡胶支座结构自振周期。

（7）上部结构在设防地震作用下弹性层间位移角

隔震建筑上部结构在设防地震作用下弹性层间位移角计算结果见表7。

表7 上部结构在设防地震作用下弹性层间位移角

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	1/568	1/550
	PKPM	1/630	1/634
	YJK	1/770	1/757
Y向	Etabs	1/461	1/426
	PKPM	1/581	1/565
	YJK	1/675	1/660

从上表可知，设防地震作用下弹性层间位移角均小于1/400，满足规范要求。摩擦摆支座设防地震作用下弹性层间位移角均略大于橡胶支座弹性层间位移角。

（8）上部结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角

隔震建筑上部结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角计算结果见表8。

表8 上部结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	1/387	1/472
	PKPM	1/567	1/625
	YJK	1/455	1/835
Y向	Etabs	1/317	1/368
	PKPM	1/491	1/542
	YJK	1/339	1/711

从上表可知，上部结构罕遇地震作用下弹塑性层间位移角均小于1/100，满足规范要求。摩擦摆支座罕遇地震作用下弹塑性层间位移角均小于橡胶支座弹塑性层间位移角。

（9）下部结构在设防地震作用下弹性层间位移角

隔震建筑下部结构在设防地震作用下弹性层间位移角计算结果见表9。

表9 下部结构在设防地震作用下弹性层间位移角

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	1/9999	1/9999
	PKPM	1/9999	1/9999
	YJK	1/9595	1/9999
Y向	Etabs	1/9999	1/9999
	PKPM	1/9999	1/9999
	YJK	1/9505	1/9999

从上表可知，上部结构设防地震作用下弹性层间位移角均小于1/400，满足规范要求。摩擦摆支座设防地震作用下弹性层间位移角均小于橡胶支座弹性层间位移角。

（10）下部结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角

隔震建筑下部结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角计算结果见表10。

表10 下部结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	1/9999	1/9999
	PKPM	1/9999	1/9999
	YJK	1/7847	1/9999
Y向	Etabs	1/9999	1/9999
	PKPM	1/9999	1/9999
	YJK	1/7865	1/9999

从上表可知，下部结构罕遇地震作用下弹塑性层间位移角均小于1/100，满足规范要求。摩擦摆支座罕遇地震作用下弹塑性层间位移角均小于橡胶支座弹塑性层间位移角。

（11）罕遇地震作用下隔震支座最大水平位移

隔震支座罕遇地震作用下最大水平位移计算结果见表11。

表11 罕遇地震作用下隔震支座最大水平位移(mm)

程序	橡胶支座	摩擦摆支座
Etabs	211.7	252
PKPM	159.4	156.97
YJK	195.7	223.37

罕遇地震作用下，各橡胶支座水平位移均不大于支座直径的0.55 倍和各层橡胶厚度之和3.0倍二者的较小值，各摩擦摆支座水平位移均不大于其产品水平极限位移的0.85倍，均满足规范要求。

（12）隔震结构水平向减震系数

隔震结构水平向减震系数计算结果见表12。

表12 隔震结构底部剪力比

类别	程序	橡胶支座	摩擦摆支座
X向	Etabs	0.351	0.337
	PKPM	0.37	0.35
	YJK	0.322	0.306
Y向	Etabs	0.369	0.343
	PKPM	0.38	0.36
	YJK	0.329	0.309

从上表可知，隔震结构X、Y向水平向减震系数均小于0.4，上部结构可按本地区设防烈度降低1度确定抗震措施。摩擦摆支座底部剪力比均小于橡胶支座水平向减震系数。

（13）罕遇地震作用下结构能耗分析

在相同的罕遇地震时程工况中，其基底剪力相差不大，橡胶支座结构非线性阻尼耗能占比为61.7%，而摩擦摆支座非线性阻尼耗能占比为75.6%，表明摩擦摆支座耗能表现明显优于橡胶支座。

5 结论

本文通过对一个多层钢筋混凝土框架结构工程分别采用橡胶支座和摩擦摆支座进行了设计与分析，得到如下结论:

(1) 采用橡胶支座和摩擦摆支座，两种隔震方案都能取到显著的隔震效果。

(2) 摩擦摆隔震支座的隔震层水平刚度中心与上部结构的竖向作用力呈正相关关系，在地震作用下隔震层处的质心与刚心重合度较高，能够有效抑制结构的整体扭转，与橡胶隔震支座相比具有显著优势。

(3) 设防地震作用下摩擦摆支座的上部结构自振周期均大于橡胶支座的自振周期，摩擦摆支座的上部结构水平向减震系数均小于橡胶支座的水平向减震系数，摩擦摆支座的隔震效果要好于橡胶支座。

(4) 在罕遇地震作用下，摩擦摆隔震方案在上部结构的层间位移上要优于橡胶支座隔震方案，非线性阻尼耗能占比也要优于橡胶支座隔震方案，且结构的回复能力更优，故摩擦摆支座在抵御强烈水平地震作用方面更加有优势。

参考文献

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[2]GB/T 51408-2021《建筑隔震设计标准》[S].北京：中国计划出版社，2021.

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[5]巫炜，摩擦摆隔震结构分析[D]。北京：北京大学，2007.

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