干货收藏！4类核心隔震装置模拟全解析

隔震结构是在建筑物底部或特定位置设置隔震层以隔离或耗散地震能量，从而减小传递到上部结构的地震作用，保护上部结构安全的一种建筑体系。SAUSG软件目前可以支持市面上主要隔震装置的模拟，包括叠层橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座、弹性滑板支座以及抗拉装置等，已经成为隔震结构非线性分析以及性能化设计的主要工具。本文将对软件中提供的隔震装置进行系统介绍。

01叠层橡胶隔震支座

叠层橡胶隔震支座可以分为天然橡胶支座（图1）和铅芯橡胶支座（图2）。

图1 天然橡胶隔震支座及其骨架曲线

图2 铅芯橡胶支座及其骨架曲线

天然橡胶支座是由纯天然橡胶和钢板交替叠合，经过高温高压硫化粘结而成。其竖向刚度较大而水平刚度较小，本身不具备耗能能力，一般和铅芯橡胶支座配合使用。

图3 天然橡胶隔震支座参数

如图3所示，对于天然橡胶隔震支座，仅需输入线性参数中的U1、U2和U3方向的有效刚度以及U1方向的非线性参数。U1、U2和U3为局部坐标系方向，可以通过点击下方工具按钮中的显示局部坐标系按钮后在视图窗口中查看。其中U1为竖直方向，U2和U3为水平剪切方向，一般U2对应整体坐标系X轴方向，U3对应整体坐标系Y轴方向。

橡胶隔震支座的拉伸刚度与压缩刚度相比很小，一般是压缩刚度的1/5~1/10。如果不考虑橡胶隔震支座的拉压刚度异性，会高估隔震支座的抗拉刚度，从而放大隔震支座的拉应力（图4~图6）。

图4 某隔震结构

图5 隔震支座轴向滞回曲线

图6 隔震支座轴力时程曲线

铅芯橡胶隔震支座是在天然橡胶支座中心压入一个铅芯而构成的隔震装置。铅芯橡胶支座由于加入了铅芯而具有较好的耗能特性，附加阻尼比可以达到20%~30%。

图7 铅芯橡胶隔震支座参数

铅芯橡胶隔震支座除了要输入上述天然橡胶支座的相关参数以外，还需要输入U2和U3两个水平方向的非线性参数（图7），包括初始刚度、屈服力和屈服后刚度比，屈服力为剪力-位移曲线中二折线拐点所对应的内力。水平方向力学模型可以采用双折线模型和Wen模型，后者相较于前者滞回曲线更加圆滑饱满，总体上差异不大。

程序提供了“选择产品型号”按钮，便于用户从程序提供的产品库（图8~图9）中选择相应的产品型号，而不需要逐个定义产品参数。

图8 天然橡胶支座产品库

图9 铅芯橡胶支座产品库

02摩擦摆隔震支座

摩擦摆隔震支座（图10）是一种通过球面摆动来延长结构自振周期，并通过滑动界面摩擦来消耗地震能量以实现隔震功能的支座。与橡胶隔震支座相比，其具有承载能力高以及自复位能力强的优点。

图10 摩擦摆隔震支座

用户可以从程序自带的摩擦摆支座产品库（图11）中选择合适的型号进行建模。线性参数中包括U1、U2、U3三个方向的有效刚度和有效阻尼（图12）。线性参数用于竖向加载分析和模态分析，因而有效阻尼可以不输入。

图11 摩擦摆支座产品库

图12 摩擦摆支座线性参数

U1方向非线性参数中包含支座的抗压刚度和抗拉刚度。一般情况下，摩擦摆隔震支座不具备抗拉能力，因而拉伸刚度一般输入为0。如果地震作用下支座受拉，则摩擦摆支座将会被提离。如果此处输入拉伸刚度，则相当于在支座中增设了抗拉装置，受拉时抗拉装置发挥作用。

图13 摩擦摆支座非线性参数

U2和U3方向的非线性参数一般包括静刚度、慢摩擦系数、快摩擦系数、摩擦系数变化率以及摩擦面曲率半径（图13）。后面四个参数一般可以按照厂家提供参数确定，静刚度与支座所承受的竖向荷载有关，可以通过如下公式计算得到。

式中，μ为动摩擦系数；P为支座所承受的竖向荷载；dy为屈服位移。

程序中也提供了抗拉摩擦摆隔震支座（摩擦摆支座（T/C）和摩擦摆支座（T/C）2），前者是上下两个滑动面平行设置，后者是上下两个滑动面对称设置。这是一种可以受拉的摩擦摆支座，受拉时上面的滑动面开始发挥作用。当受拉变形小于间隙时，拉力为0。受拉变形超过拉伸间隙后，支座受拉。轴力与轴向变形关系如下：

U2和U3方向的非线性参数中包含了受压时和受拉时的参数（图14），用户需要分别输入。

图14 抗拉摩擦摆隔震支座轴向和剪切方向非线性参数

03弹性滑板隔震支座

弹性滑板支座是由橡胶支座部、滑移材料、滑移面板及上、下连接板组成的隔震支座（图15）。橡胶支座部由薄层橡胶与薄层钢板叠合而成，橡胶层与钢板紧密粘合以确保钢板对橡胶层的变形约束，使其具有较高的竖向承载能力，并具有较大的水平变形能力和耐疲劳能力。

地震时，橡胶支座部发生水平剪切变形，当支座所受到的水平地震剪力超过滑移面的静摩擦力（F=μN，μ为滑移面的静摩擦系数）时，滑移面开始滑动，此时支座的水平刚度变为零。

弹性滑板支座的不足是滑动后的复位能力较差，所以一般和叠层橡胶支座组合使用，以提高隔震层的自恢复能力。

图15 弹性滑板隔震支座

弹性滑板支座的线性参数和非线性参数如图16所示。剪切方向包含初始刚度和摩擦系数两个非线性参数，骨架曲线为理想弹塑性曲线。

图16 弹性滑板支座线性参数和非线性参数

04抗拉装置

上面提到的普通摩擦摆隔震支座以及弹性滑板支座不具备抗拉能力，而橡胶隔震支座的抗拉能力也很小。在高烈度地区或者结构高宽比比较大，隔震支座受拉情况无法避免时，会通过设置抗拉装置来解决。

软件中可以采用钩单元（图17）来模拟抗拉装置，受拉状态下，如果相对变形超过初始间隙，钩单元开始发挥作用，在受压状态下，钩单元不起作用。

图17 抗拉装置参数

定义好隔震支座和抗拉装置以后，如果需要让二者并联，可以通过减震组中的“自定义并联”功能实现同一个位置建立隔震支座和抗拉装置两个单元（图18）。

图18 隔震支座与抗拉装置并联

05小结

本文详细介绍了SAUSG软件中提供的各种类型的隔震装置，包括橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座、弹性滑板隔震支座以及抗拉装置等。如果要了解每一种隔震装置的具体使用方法及注意事项，可以参考SAUSG软件用户手册以及相关的公众号文章。

SAUSG软件中现有的隔震装置已经基本能够满足大部分的隔震设计需求，如果您还有其他隔震装置需要开发，也可以与我们联系。

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供稿丨侯晓武 审稿丨张欣

编辑丨刘宏琛