利用具有分段垂直刚度的接触触发式三维隔震支座实现结构的地震响应控制：全尺寸支座试验与时程分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic response control of structures using a contact-triggered three-dimensional isolation bearing with staged vertical stiffness: Full-Scale bearing tests and time-history analysis

　　摘要
三维隔震技术旨在控制由地震和高频服务振动引起的水平地震响应和垂直响应。为了在实现低垂直刚度以减少振动的同时，又能提供高刚度以限制较大的垂直变形，本研究提出了一种接触触发的垂直变刚度三维隔震轴承（VVS-3DIB）。该轴承结合了上部的环形弹簧（RS）–三层环形弹簧（TRS）–LNR300分阶段垂直子系统和下部的LNR500水平隔震子系统；当LNR300达到预定的垂直位移时，会触发第二阶段的刚度。研究中采用了分阶段等效垂直刚度模型、全尺寸准静态试验以及使用实验确定的参数进行的OpenSees时程分析。试验确定了触发位移为22.95毫米，第一阶段的加载刚度为85.56千牛/毫米，第二阶段为156.52千牛/毫米，并且在50%–250%的剪切应变范围内保持了稳定的水平迟滞特性。增加轴向载荷通常会降低等效水平刚度并增强能量耗散效果，而加载频率主要影响等效刚度和等效阻尼比，在0.01–0.10赫兹范围内对峰值水平力的影响较小。利用五个同步的三组分地面运动进行的分析表明，X方向和Y方向的地面加速度显著降低，而垂直地震响应则取决于记录数据。在两个实际测量的地铁引起的垂直振动记录中，峰值垂直地面加速度降低了约63%–90%。这些发现应在所测试的低频范围内，并使用参考状态的水平轴承参数，在线性弹性上部结构模型框架下进行解释。结果展示了VVS-3DIB在水平地震隔震和垂直振动衰减方面的潜力。

引言
随着结构的地震作用不仅包括水平地面运动，还包括显著的垂直激励，三维地震隔震技术越来越受到关注。垂直地面运动会放大地面加速度，改变隔震轴承的轴向载荷状态，并影响隔震结构的垂直载荷传递机制[1,2]。除了地震作用外，一些结构还受到长期低幅度高频服务振动的影响，例如交通或地铁引起的振动，这些振动可能通过车辆–轨道–地面–基础–结构的传递路径传播[3], [4], [5], [6]。对于轨道两侧和地铁附近的建筑物，这些振动会通过传递结构、平台和垂直承重构件进一步传递到上部结构，从而影响结构的使用性能、地面舒适度和室内环境质量[4], [5], [6], [7], [8], [9]。因此，一个有效的三维隔震系统应提供水平地震隔震、在强烈动态作用下的垂直响应控制以及在低幅度高频服务输入下的振动衰减能力。

传统的隔震系统主要包括天然橡胶轴承、铅橡胶轴承、高阻尼橡胶轴承和摩擦摆轴承。这些系统通过降低结构的水平刚度、延长固有周期和引入能量耗散机制来减少水平地震响应[10], [11], [12]。大量研究关注了橡胶轴承的非线性行为、铅芯的温升效应、速率依赖性以及隔震结构的参数敏感性。这些研究表明，轴承的刚度、阻尼和恢复力模型对隔震结构的预测动态响应有显著影响[13], [14], [15], [16], [17]。然而，传统隔震轴承通常具有较大的垂直刚度，以确保承载能力和稳定性。这限制了它们在垂直地面运动和低幅度高频振动输入下控制结构垂直响应的能力。从三维隔震的角度来看，低垂直刚度有助于减少服务水平高频输入下的垂直振动传递，而在地震引起的大变形需求下，则需要足够的垂直刚度、载荷储备和位移控制能力[18], [19], [20]。尽管已经使用了厚橡胶轴承、低垂直刚度橡胶组件和倾斜式振动隔震轴承来控制垂直振动[21,22]，但这些固定刚度或单一机制的解决方案仍无法同时满足这些需求。

近年来，为了实现水平地震响应和垂直振动响应的协调控制，三维隔震轴承和多方向振动隔震系统受到了越来越多的关注。先前的研究提出了三向隔震装置[23,24]、新型三维隔震轴承[25,26]、复合三维隔震系统以及用于结合控制交通引起振动和地震响应的装置。这些研究也证明了它们在水平能量耗散、垂直振动隔震和多方向结构响应控制方面的有效性[27,28]。然而，大多数现有系统仍然依赖于固定刚度、单一刚度特性或组件的简单组合。它们在不同输入幅度和频率下适应性地调节刚度的能力仍然有限。

变刚度机制为平衡低刚度垂直振动隔震和高刚度承载要求提供了一种有效的解决方案。已经提出了多种形式，包括多液压缸装置、预压缩弹簧装置、长周期垂直变刚度装置和多级纤维增强橡胶轴承。研究表明，通过结构切换、顺序组件 engage 和分阶段载荷传递可以实现不同变形需求下的刚度调节[29], [30], [31], [32]。相关的弹簧型能量耗散组件，如碟形弹簧、环形弹簧和多层环形弹簧，也因具有较高的轴向承载能力和摩擦能量耗散能力而被用于垂直振动隔震和自定位能量耗散系统[33], [34], [35]。然而，大多数关于变刚度隔震的研究集中在单向垂直隔震或组件级别的刚度调节上。将垂直变刚度机制和水平隔震功能集成到一个三维轴承中的研究，并验证其在地震激励和高频垂直振动下的性能的研究仍然有限。

总之，以往的研究尚未充分解决降低低幅度高频垂直振动的低刚度要求与控制较大垂直变形所需的高刚度要求之间的矛盾。此外，现有三维隔震系统中水平隔震与垂直刚度调节之间的协调性也不足。为了解决这些问题，本研究提出了一种接触触发的垂直变刚度三维隔震轴承（VVS-3DIB）。与传统固定刚度三维隔震系统和主要单向或组件级别的变刚度装置相比，其主要贡献如下：（1）通过将上部的RS–TRS–LNR300分阶段刚度子系统与下部的LNR500水平隔震子系统结合起来，开发了一种垂直装配的轴承；抗剪环形弹簧分离了主要的水平和垂直载荷传递路径，而LNR300的接触接合将垂直响应从低刚度振动隔震阶段切换到高刚度位移控制阶段；（2）建立并评估了考虑摩擦环弹簧不同加载和卸载刚度的分阶段等效垂直刚度模型，通过全尺寸准静态试验确定了两阶段刚度过渡、稳定的水平迟滞特性以及轴向载荷和加载频率的影响；（3）使用实验确定的轴承参数开发了OpenSees结构模型，以将轴承级别的机械行为与结构响应控制联系起来，并评估水平地震响应的降低和高频垂直振动的衰减效果。

**VVS-3DIB的接触触发分阶段刚度机制和分析模型**
本节首先介绍了VVS-3DIB的结构配置、载荷传递路径、组件功能以及接触触发的工作原理。然后通过结合平行RS–TRS子系统的加载和卸载刚度以及接触触发LNR300的压缩贡献，建立了分阶段垂直刚度的分析模型。

**原型设计和全尺寸准静态试验程序**
本节首先介绍了VVS-3DIB的原型设计基础，并解释了如何利用第2.2节建立的分析关系确定分阶段垂直刚度。接着介绍了全尺寸试验样本及其结构参数，然后介绍了压缩–剪切试验设置、测量布置和循环加载协议。

**结果与讨论**
本节展示并讨论了VVS-3DIB的实验确定机械行为。首先研究了接触触发的垂直刚度转换，然后研究了在不同剪切应变、轴向载荷和加载频率下的水平迟滞响应。评估了峰值力、等效刚度、能量耗散和等效阻尼比的变化，以明确控制轴承响应的主要因素。

**等效轴承模型验证和结构时程分析**
本节评估了名义水平刚度的估算值，并将分阶段垂直刚度模型与全尺寸试验结果进行了对比。然后在OpenSees中实现了一个实验校准的简化三维等效轴承模型，以评估在同步地面运动和代表性高频垂直振动输入下的结构响应控制。

**结论**
通过分析建模、全尺寸轴承试验和结构时程分析，研究了一种称为VVS-3DIB的接触触发三维隔震轴承，其具有分阶段垂直刚度。主要发现如下：
1) RS–TRS–LNR300垂直子系统在22.95毫米处表现出明显的接触触发刚度转换。加载刚度从85.56千牛/毫米增加到156.52千牛/毫米，放大了1.83倍。
2) 实现了稳定的水平迟滞特性。

**作者贡献声明**
Yahui Chen：撰写——原始草稿、验证、研究。
Wei Wang：监督、方法论、资金获取。
Yirong Liang：研究、数据整理。
Feng Nian：撰写——审阅与编辑、验证、形式分析。
Shuge Wu：数据整理。
Yu Li：撰写——审阅与编辑。
Sanqing Su：监督、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢中国国家自然科学基金（项目编号52278214、52378314）、国家减灾工程重点实验室（项目编号SLDRCE23-06）、陕西省自然科学基础研究计划重点项目（项目编号2022J2-21）以及西部预制建筑工业化协同创新中心科研项目（项目编号N202203）的支持。