具有修复功能的一层独立结构的实验研究及地震响应估算

《Soil Biology and Biochemistry》：Experimental examination of single-storey free-standing structures with a restoration function and seismic response estimation

摩擦系数为0.2的石墨润滑钢/铁-砂浆自由站立结构（FSS）在地震中通过滑动实现减震，但存在残余滑动位移问题。本研究提出采用合成橡胶（NBR、EPDM）作为恢复弹簧的设计方案，通过实验和数值模拟验证其有效性。实验表明，恢复弹簧可将残余滑动位移减少90%，同时不显著增加上部结构响应，最大摩擦系数估算误差小于35%。数值模型验证了不同质量比（1/3、1/7）和地震动（JMAK、JRTA）下的减震效果，证实了基于硬度估算弹性模量的方法可行。

　　本研究探讨了一种能够有效减轻地震影响的自由结构（Free-Standing Structure, FSS）的设计与应用。这种结构利用石墨润滑的钢/铁-砂浆界面，其最大摩擦系数为0.2，从而在大型地震中实现滑动隔离效果。然而，这种结构在地震后可能会残留一定的滑动位移，因此需要引入一种恢复功能，以减少滑动位移并确保结构在地震后的功能恢复。目前，关于这种恢复功能的设计和评估主要依赖于数值模拟，但尚未通过实际地震台实验进行验证。本文通过实验和数值模拟相结合的方法，首次系统地验证了FSS的地震响应估计，并展示了恢复弹簧设计的可行性。

在研究中，科学家们提出了一个基于石墨润滑的钢/铁-砂浆界面的FSS模型，并探讨了使用合成橡胶作为恢复弹簧的方案。合成橡胶因其高可用性、可加工性和成本效益，成为恢复弹簧的理想材料。研究中选择了两种常见的合成橡胶材料：丁腈橡胶（NBR）和乙烯-丙烯橡胶（EPDM），并对其硬度和弹性模量进行了测试。通过实验发现，尽管橡胶的弹性模量会因硬度不同而有所变化，但利用橡胶的硬度值进行估算，能够较好地预测其弹性模量，误差范围在0.5到2倍之间。这一特性为恢复弹簧的设计提供了便利，因为它不需要精确的弹性模量测量，而只需简单的硬度测试即可。

在实验设计中，科学家们采用了一种单层结构模型，该模型由两个自由度（2DOF）组成，代表了FSS的基本特性。模型中使用了石墨润滑的钢/铁-砂浆界面，并通过在结构底部安装恢复弹簧（即缓冲橡胶）来实现滑动位移的恢复。实验结果显示，当没有恢复弹簧时，FSS的地震响应与估计值吻合良好，最大剪切系数的误差不超过35%。而当引入恢复弹簧后，结构的滑动位移显著减少，且对上部结构的响应影响较小，这表明恢复弹簧在地震响应估计和实际应用中具有较高的可行性。

为了验证恢复弹簧的设计，研究团队在不同质量比（如1/3和1/7）的FSS模型上进行了广泛的数值模拟，并结合了地震台实验的数据。这些数值模型能够准确反映实际结构在不同地震条件下的响应情况，包括滑动位移和剪切系数。研究结果表明，即使在高地震强度下，恢复弹簧的设计依然能够有效减少滑动位移，同时保持上部结构的稳定响应。这进一步证明了恢复弹簧在地震工程中的应用潜力。

此外，研究还关注了恢复弹簧的材料选择和设计参数对地震响应的影响。例如，NBR和EPDM橡胶在不同硬度下表现出不同的弹性特性，而NBRH橡胶（硬度更高的NBR）则展现出更强的恢复能力。实验和模拟结果显示，NBRH橡胶能够将滑动位移减少到不到12毫米，而NBR和EPDM橡胶则能将滑动位移减少至11.3毫米以下。这表明，橡胶的硬度是影响恢复性能的重要因素，而通过硬度估算弹性模量的方法在实际应用中是可行的。

在地震响应估计方面，研究采用了一种基于摩擦系数和滑动速度的模型，该模型能够较为准确地预测FSS的地震响应。实验结果表明，即使在没有恢复弹簧的情况下，FSS的地震响应也与估计值保持一致，而引入恢复弹簧后，响应的误差范围依然控制在合理范围内。这一发现对于FSS的设计和施工具有重要意义，因为它表明恢复弹簧的引入不仅不会显著增加上部结构的响应，反而能够有效减少滑动位移，提高结构的抗震性能。

研究还发现，恢复弹簧的设计对结构的响应具有一定的非线性影响。例如，当滑动速度增加时，摩擦系数可能会发生变化，从而影响结构的恢复能力。因此，在设计恢复弹簧时，需要综合考虑多种因素，包括摩擦系数、滑动速度和质量比等。同时，实验和模拟还表明，恢复弹簧的设计需要平衡其恢复能力与对上部结构的影响，以确保结构在地震中的稳定性。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟验证了FSS在地震中的响应特性，并提出了一个基于合成橡胶的恢复弹簧设计方法。该方法利用橡胶的硬度来估算其弹性模量，从而简化了恢复弹簧的设计过程。研究结果表明，恢复弹簧能够有效减少滑动位移，同时不影响上部结构的响应，为FSS在地震工程中的应用提供了新的思路和方法。此外，研究还指出，未来需要进一步探讨多层FSS的恢复弹簧设计，并验证其在多方向地震激励下的性能，以提高结构的抗震能力。