三维解耦隔震轴承：实验验证、设计方法及抗震性能研究

《Soil Security》：Three-dimensional decoupling isolation bearing: Experimental validation, design methodology, and seismic response

三维解耦隔震支座通过串联铅芯橡胶支座与环形弹簧垂直隔震支座实现水平和垂直地震响应解耦，实验和数值分析表明该系统可降低水平加速度50%-75%、垂直加速度30%-55%，并有效控制层间位移。

　　在地震多发区域，建筑结构不仅面临水平方向的地面震动，还会受到显著的垂直地震激励，这对结构的完整性构成严重威胁。大量地震记录表明，在重大地震中，如美国1994年北岭地震、日本1995年阪神地震以及中国2008年汶川地震，垂直加速度有时甚至超过水平加速度。这些强烈的垂直地震激励导致了严重的结构损坏，包括垂直坍塌、梁柱断裂以及剪切破坏，尤其是在震中或断层附近更为明显。然而，现有的地震隔离系统主要关注水平地震效应，通常将垂直地震荷载近似为水平荷载的三分之二，这未能准确反映垂直地面运动的真实影响。因此，传统的水平隔离方法在提供全面的地震保护方面仍显不足，特别是在高层建筑和大跨度结构中。

为了应对这些挑战，研究者们提出了多种三维地震隔离装置。然而，尽管这些装置在一定程度上实现了水平和垂直地震响应的隔离，但往往存在水平与垂直响应之间不理想耦合的问题，以及垂直承载能力不足的缺陷。例如，厚橡胶支座在低层刚性建筑和敏感设备中被广泛应用，因其结构简单、易于安装。研究表明，当支座的形状系数低于4时，厚橡胶支座能够有效减少垂直地震响应和倾覆效应。此外，厚橡胶支座还能降低结构的垂直自振频率，从而满足核电站等特殊建筑的地震隔离要求。然而，厚橡胶支座也存在固有的局限性，包括垂直承载能力不足、水平与垂直变形之间的耦合，以及垂直阻尼能力有限。在强地震激励下，这些缺点可能导致显著的垂直变形、结构倾覆、支座内部拉应力增加，以及长期的稳定性和可靠性问题，因此需要探索其他类型的垂直地震隔离方法。

近年来，弹簧类垂直隔离系统受到了广泛关注。这类系统通过弹簧和阻尼器的组合，能够实现更有效的垂直地震隔离。例如，Kitayama和Lee研究了螺旋弹簧-粘滞阻尼器隔离器，但发现其垂直阻尼能力仍然不足。Zhang等人开发了具有恒定刚度的螺旋弹簧隔离系统，并通过振动台试验验证了其性能，但其实际应用效果受限于缺乏足够的垂直阻尼。此外，Zhang等人还提出了一种结合螺旋弹簧和油阻尼器的混合系统，但系统尺寸、静态承载能力和隔离性能的不确定性限制了其广泛应用。Han等人则研究了空气弹簧-摩擦摆支座系统，虽然显示出良好的灵活性，但因体积较大而面临实施上的困难。同时，这些弹簧类装置通常存在稳定性问题、偏心压缩现象以及垂直阻尼能力有限，限制了其在更广泛工程中的应用。

液压类垂直隔离技术也得到了深入研究。Kashiwazaki等人提出了一种由氮气填充液压缸与叠层橡胶支座串联组成的垂直隔离系统。Shimada等人通过振动台试验和数值模拟进一步验证了这一概念，确认了其在垂直地震隔离和能量耗散方面的有效性。然而，液压系统通常涉及复杂的控制机制，导致较高的维护成本和较慢的响应速度，这降低了其对突发垂直地震事件的适应能力。此外，液压系统中水平与垂直隔离功能之间的耦合也增加了实现独立方向控制的难度。Liu等人开发了一种使用倾斜LRB的旋转三维隔离器，但水平与垂直变形的耦合增加了施工复杂性和维护挑战。

最近，负刚度垂直隔离系统逐渐成为一种有前景的替代方案。这类系统通过结合正刚度和负刚度元件，实现接近零刚度的状态，从而有效降低结构的自振频率并提高垂直隔离效率。Le等人开发了对称负刚度结构，而Pasala等人则引入了将负刚度元件与粘滞阻尼器结合的自适应系统，两者均展示了改进的隔离性能。然而，负刚度系统本身表现出较强的非线性特性，使得系统调谐和控制变得复杂。此外，这些系统对外部扰动非常敏感，可能在极端条件下导致不稳定或承载能力下降。复杂的结构设计和高昂的制造成本进一步限制了其在广泛工程中的应用。

环弹簧作为一种潜在的垂直地震隔离候选材料，近年来也引起了研究者的关注。环弹簧具有良好的机械稳定性和有效的摩擦能量耗散能力，这使其在地震隔离领域展现出独特的应用潜力。在我们之前的研究中，提出了一种结合中央环的环弹簧垂直隔离支座（RSVIB-CR），显著提升了垂直承载能力和隔离性能。然而，之前的研究所关注的主要是垂直地震隔离性能，缺乏对水平与垂直地震响应耦合效应的系统性研究。

为了解决传统地震隔离装置中存在的水平与垂直地震响应耦合问题，以及垂直承载能力不足的缺陷，本研究提出了一种新型的三维解耦地震隔离支座（3D-DIB）。该系统将用于水平地震隔离的LRB与用于垂直地震隔离的RSVIB-CR串联组合，以实现水平与垂直地震响应的有效解耦。创新设计不仅确保了水平地震隔离的优越性能，还通过RSVIB-CR中引入的中央环显著增强了垂直承载能力和稳定性，从而解决了传统垂直隔离装置在高轴向荷载下常见的不稳定性问题。为了验证3D-DIB的解耦性能和垂直承载能力，研究者们在不同轴向荷载水平下进行了循环剪切-压缩实验。同时，针对水平和垂直地震隔离子系统，分别建立了系统的综合设计方法。进一步地，研究者们通过将3D-DIB集成到多层混凝土框架结构中，并在三维地震激励下进行有限元分析，评估了该系统在实际工程应用中的效果。实验结果表明，3D-DIB能够显著降低水平和垂直地震响应，验证了其在三维地震隔离中的有效性。

在三维解耦隔离支座的结构设计中，LRB和RSVIB-CR的组合被证明是一种有效的解决方案。LRB主要用于水平方向的地震隔离，其通过橡胶层和铅芯的组合实现水平方向的柔性和能量耗散。RSVIB-CR则专门设计用于垂直方向的地震隔离，其通过环弹簧和中央环的结构，实现了更高的垂直承载能力和更稳定的响应。两者的串联设计使得在地震作用下，水平和垂直方向的响应能够相互独立，从而避免了传统系统中常见的耦合问题。此外，RSVIB-CR的中央环设计还显著提升了其在高轴向荷载下的稳定性，使得其能够更好地适应实际工程中的复杂工况。

为了系统验证3D-DIB在地震条件下的解耦性能和隔离效果，研究者们使用500吨的拉剪试验机进行了循环剪切-压缩试验。试验的主要目的是评估隔离支座在不同垂直压缩应力和水平剪切应变下的机械行为和解耦特性。实验结果表明，3D-DIB能够在地震作用下实现水平和垂直响应的独立控制，有效降低结构的地震需求。此外，LRB在水平荷载下的表现稳定，能够有效耗散地震能量，而RSVIB-CR则在垂直荷载下展现出良好的承载能力和能量耗散性能。

在结构集成和设计方法方面，研究者们提出了一个全面的设计流程，将3D-DIB整合到地震隔离系统中。该流程包括针对水平和垂直地震隔离的两个独立但互补的设计步骤，分别使用LRB和RSVIB-CR。每个设计方法都旨在确保隔离系统在多方向地震作用下的有效解耦和性能优化。通过这种综合设计方法，3D-DIB不仅能够满足水平和垂直地震隔离的需求，还能够提升整体结构的抗震能力。

在多层混凝土框架结构中的三维隔离分析中，研究者们通过有限元方法对隔离和非隔离结构进行了对比研究。结构建模、隔离装置参数化以及多方向地震时程模拟均被纳入分析过程中，以评估3D-DIB在实际工程中的应用效果。结果表明，3D-DIB能够有效降低结构的水平和垂直地震需求，提升结构的抗震性能。此外，数值分析还揭示了与非隔离结构相比，3D-DIB在强地震激励下能够显著减少水平加速度（约50%–75%）和垂直加速度（约30%–55%），并有效控制层间位移和变形。这些发现进一步验证了3D-DIB在三维地震隔离中的有效性和可靠性。

在结构动力特性方面，研究者们对隔离和非隔离结构模型进行了模态分析，以评估3D-DIB对结构动力行为的影响。表5列出了前十三个自然振动周期，而图14和图15展示了相应的模态形状。表5显示，3D-DIB的引入显著增加了基本周期，从1.632秒延长至3.981秒，表明结构的整体刚度有所降低，而横向的柔性得到了增强。此外，垂直方向的振动周期也发生了变化，进一步说明了3D-DIB在垂直方向上的隔离效果。这些动力特性的变化表明，3D-DIB不仅能够有效降低结构的地震响应，还能提升其整体的抗震性能。

综上所述，本研究提出的3D-DIB在三维地震隔离方面展现出显著的优势。通过将LRB和RSVIB-CR组合成一个独立控制的系统，3D-DIB有效实现了水平与垂直地震响应的解耦，提升了结构的抗震能力。实验和数值分析结果表明，3D-DIB能够显著减少水平和垂直地震响应，有效控制层间位移和变形，提升结构的稳定性和可靠性。此外，该系统在高轴向荷载下的表现优于传统垂直隔离装置，表明其具有更强的承载能力和稳定性。这些研究成果不仅为三维地震隔离提供了新的解决方案，还为高层建筑和大跨度结构的抗震设计提供了重要的理论依据和实践指导。3D-DIB的引入有望在高地震烈度地区得到广泛应用，为建筑结构的安全性和耐久性提供更全面的保障。