一种新型三向混合地震冲击隔离系统的性能与设计方法

《Structures》：Performance and design method of a novel three-directional hybrid seismic-shock isolation system

　　

摘要

爆炸及其他冲击性荷载源可引发多向地面冲击波（GSs），严重破坏建筑结构，即便配有隔震系统的建筑也难以幸免。现有的隔震系统主要仅针对地震作用或单向冲击荷载进行设计，限制了其在三向地震-冲击隔震场景中的有效性。为弥补这一不足，本文提出了一种三向混合地震-冲击隔震系统（HSSIS），该系统能够同时减轻地震和GS的激励效应。HSSIS由四个集成组件构成：螺旋弹簧用于竖向支承，摩擦摆支座（FPB）用于水平隔震，钢丝绳环（WRL）用于约束相对位移，电磁阻尼器（ECD）用于同时提供水平和竖向阻尼。通过对WRL进行循环加载试验获取了其滞回特性。建立了HSSIS的详细有限元（FE）模型，其中包括FPB的非线性行为、WRL的滞回行为（通过等效塑性方法实现）以及ECD的响应（通过非线性阻尼单元实现）。性能评估表明，在GS作用下，HSSIS的水平加速度降低率达89.25%，竖向加速度降低率达78.02%；在地震激励下，水平加速度降低率为40.56%，竖向加速度降低率为20.51%。此外，建立了简化FE模型，该模型在保持高精度的同时，计算效率提升了18倍。参数研究表明，ECD倾角、最大阻尼力、FPB半径和摩擦系数是关键设计参数。最后，提出了一种设计方法，以便于在实际应用中快速配置HSSIS。通过与不含连接板的HSSIS、不含WRL的HSSIS以及弹簧-ECD系统进行对比，所提出的HSSIS展现出更优的结构稳定性和设计灵活性。

引言

随着城市化进程加速及基础设施功能日益复杂，建筑物和工程结构不仅面临传统地震灾害的威胁[1,2]，还日益受到工业爆炸和恐怖袭击等人为极端事件的影响[[3], [4], [5], [6], [7]]。地震荷载可导致结构构件的整体失稳和累积损伤，进而引发结构坍塌[8]。地面冲击波（GS）可使结构承受的应力超过其许用极限，造成结构破坏、人员伤亡以及敏感设备的失效或损毁[[7], [8], [9]]。因此，关键设施不仅需要满足基本的隔震要求，还应在设计理念中融入强韧的抗冲击保护，以应对这些多灾害威胁[6]。

Ma等人[9]提出了一系列具有平面和圆柱图案的创新超材料，并通过实验验证了其在冲击隔离方面的有效性。Ledezma-Ramirez等人[10]提出了一种可变刚度冲击隔离器，证明该系统在隔震效率方面优于传统线性被动隔离器。Yan等人[11]开发了一种几何反弹簧（GAS），研究了冲击振幅、荷载和阻尼对其响应的影响。然而，这些研究仅考虑了单向荷载作用，未能满足需要三向冲击隔震的结构需求。因此，开发一种能够同时实现三向冲击减轻的系统仍是防护工程领域面临的关键挑战。

橡胶支座因其竖向承载力高、水平刚度低、弹性良好且耗能性能好等优点，被广泛应用于建筑物和桥梁的地震隔离[[12], [13], [14], [15], [16], [17]]。铅芯橡胶支座（LRB）通过嵌入铅芯来增强滞回阻尼[[12], [13], [14]]，而高阻尼橡胶支座则通过橡胶添加剂混合来实现更高的阻尼和屈服前刚度[15]。Wang等人[16]用纤维增强聚合物（FRP）层合板替代传统橡胶支座中的钢垫板，证明了其性能更稳定且成本更低。然而，这些支座存在一个共同的致命缺陷：竖向刚度过高，降低了其抵抗竖向地震激励的能力。这突显了对先进隔震系统的需求，即在保证良好水平性能的同时，还能有效实现竖向地震防护。

同时提供水平和竖向振动隔离的三向隔震系统正受到越来越多的关注。这类系统通常采用液压、气动、特殊材料、弹簧和橡胶作为隔离组件[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。例如，Wang等人[28]提出了一种可变竖向刚度的三维基础隔震系统（3DVVS），该系统由串联多液压缸系统（用于竖向隔离）和摩擦摆支座（用于水平隔离）组成。Morishita等人[29]为先进快堆应用开发了一种新型三维隔震系统，采用了气动和液压装置。结果表明，所提出的系统在安全性和经济性方面均令人满意。Hüffmann[21]将螺旋弹簧与圆柱粘滞阻尼器并联，实现了多向刚度和耗能。Fujita等人[22]将橡胶支座与弹簧结合，并通过振动台试验验证了混合系统的有效性。然而，基于橡胶的隔震系统容易受温度、紫外线等环境因素影响，导致老化、硬化或开裂[30,31]。此外，粘滞阻尼器在高速冲击下，由于连接部位存在局部应力集中，容易发生密封失效和流体泄漏，增加了维护需求和成本[32]。这些局限性突显了开发能够在恶劣环境下可靠实现三向性能的低维护隔震装置的迫切需求。

电磁阻尼器（ECD）无需外部电源或流体介质，具有无接触运行、零磨损、长寿命、抗过载及不增加附加质量等特点[33,34]。ECD已被广泛应用于桥梁和航天系统的阻尼[35,36]。摩擦摆支座（FPB）具有出色的自复位能力、高竖向承载力、耐久性和耗能性能[[37], [38], [39]]，在承载力、位移范围和温度不敏感性方面优于橡胶支座[[40], [41], [42], [43]]。然而，FPB的相对位移过大将增加限位装置的设置难度[44]。钢丝绳环（WRL）具有高强度、阻尼特性以及在极端环境下性能稳定的优势[45]，使其成为限制FPB在冲击事件期间相对位移（u）的理想选择。螺旋弹簧提供良好的轴向支承、环境适应性和稳定性能，是有效的竖向承重组件[46]。因此，将FPB（水平隔离）、WRL（限制相对位移）、ECD（多向阻尼）和弹簧（竖向缓冲）集成在一起，是实现可靠三向地震-冲击隔震的一种有前景的方案。

尽管在地震和冲击隔离领域已取得显著进展，但仍存在关键空白：(1) 地震和冲击减轻系统通常被分别研究；(2) 大多数研究聚焦于单向性能，而三向隔震研究不足；(3) 传统装置常存在流体泄漏和局部应力集中的问题。为应对这些挑战，本研究：1) 提出了一种三向混合地震-冲击隔震系统（HSSIS），能够同时抵抗地震和GS荷载；2) 对WRL进行循环加载试验以表征其滞回特性；3) 开发并验证了HSSIS各组件的仿真方法；4) 建立详细有限元（FE）模型评估系统的隔震和冲击减轻性能；5) 推导简化FE分析方法并进行参数研究；6) 制定HSSIS实际工程应用的设计方法。

本文的组织结构如下。第2节介绍三向HSSIS的组成及WRL的实验研究。第3节介绍HSSIS中各组件的FE建模与验证。第4节介绍详细FE模型的地震与冲击隔震性能分析。第5节介绍简化FE建模方法和参数分析。第6节提出HSSIS的设计方法。第7节给出结论。

各章节摘要

三向HSSIS及WRL实验

本文提出的HSSIS由四个ECD、四个WRL、十六个螺旋弹簧、四个FPB、八组导轨、一个隔震平台和一个连接板（CP）组成，如图1所示。ECD以对称倾斜角度安装于平台两侧，能够实现水平和竖向能量的同时耗散。WRL用于限制平台与CP之间的相对位移u。螺旋弹簧安装在基础与CP之间，控制系统的竖向刚度。

HSSIS中各组件的FE建模与验证

本节介绍HSSIS关键组件（包括WRL、FPB和ECD）的FE方法，为系统级仿真奠定数值基础。

HSSIS详细FE模型的地震与冲击隔震性能分析

本节建立了HSSIS的详细FE模型，研究了FPB中的接触力、隔震性能以及连接板（CP）的功能。

简化FE建模方法与参数分析

尽管详细FE模型能够检查局部应力状态和整体变形，但其计算效率低且建模复杂，阻碍了设计迭代和参数研究。为克服这些局限性，在ABAQUS中开发了一种简化模型（见图19），以方便快速参数分析和初步设计评估。

设计方法

基于上述参数研究，可以建立一种设计方法。在本系统中，竖向隔震性能主要由两个组件控制：弹簧和倾斜ECD。水平性能则取决于三个要素：FPB、ECD和WRL。为了便于实际设计流程，首先设计竖向子系统以满足竖向隔震要求，随后调校水平组件以实现所需的水平

结论

本研究提出了一种集成螺旋弹簧、FPB、WRL和ECD的三向HSSIS。对WRL进行了循环加载试验以表征其滞回特性。开发并验证了HSSIS主要组件的FE建模方法。建立了HSSIS的详细和简化FE模型，研究了其地震与冲击隔震性能。开展了参数研究。基于上述研究

CRediT作者贡献声明

杨世龙：撰写初稿、可视化、实验、数据整理。范伟：撰写-审阅与编辑、验证、监督、概念构思。马凌菲：可视化、实验、数据整理。程怡浩：监督、概念构思。华旭刚：监督、概念构思。陈正清：监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到湖南省研究生科研创新项目（CX20250607）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515240022）以及湖南省自然科学基金重点项目（2024JJ3009）的资助。

杨世龙|范伟|马凌菲|程怡浩|华旭刚|陈正清