装配式工业设备支架复合隔震结构振动台试验研究

装配式建筑具有生产高效、工期可控、安全保质、低碳节能等优势，已逐渐成为建筑行业发展重要趋势。为解决在役工业设备支架中存在的现场湿作业环境污染、关键设备加速度超限以及无真实地震响应试验模拟现状等问题，以两种装配式工业设备支架结构(钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构)为基础，在其底部分别采用对角布置天然橡胶-铅锌橡胶支座(LNR-LR型)和水平布置天然橡胶支座-黏滞阻尼器(LNR-VD型)形式构成复合隔震结构，并开展足尺振动台试验。研究附加两类不同阻尼形式的复合隔震结构动力特性，验证其对设备挂机点处加速度峰值响应控制效果，并通过附加阻尼实现罕遇地震作用下隔震层位移不超限的目标。

2.1 试验模型设计与制作

足尺试验模型由上部主体结构、底座筏板结构和隔震层构成(图1)。根据隔震层可将试验结构分为如下三种形式：

1) 结构1为非隔震结构(图2a)，隔震层通过四边连接板及高强度摩擦型螺栓(简称固定组件)装配而成；

2) 结构2为LNR-LR型复合隔震结构(图2b)，拆除结构1隔震层固定组件，并采用2个天然橡胶支座和2个铅锌橡胶支座对角布置(图3a~3b)；

3) 结构3为LNR-VD型复合隔震结构(图2c、2d)，在隔震层四角布置4个LNR型支座，单向对边布置2个VD黏滞阻尼器(图3c~3e)。

2.2 支座布置与选型

2.2.1 LNR-LR型复合隔震结构

综合考虑隔震效果、结构稳定性和支座性能等要求，依据《建筑抗震设计规范》和《建筑隔震设计标准》，在隔震层底座结构下部四角处共布置2个LNR200型和2个LR200型隔震支座。为使隔震层与上部整体结构刚质心尽量重合，两种隔震支座采用对角布置形式(图3d)，以确保上部结构在水平振动过程中尽量平动。

依据JG 118-2000《建筑隔震橡胶支座》，在振动台试验前对两种隔震支座分别进行竖向面压下水平拟静力试验。连续进行3个循环加载，LNR200型及LR200型支座的力学性能参数由第3圈确定，其水平荷载-位移曲线见图4，水平向力学性能参数见表1。

2.2.2 LNR-VD型复合隔震结构

为考察不同附加阻尼形式复合隔震结构的振动控制效果，进行LNR-VD型复合隔震结构振动台试验。在隔震层于底座结构下部四角处共布置4个LNR200型隔震支座，于底座结构下部对边处布置2个VD阻尼器(图3d)。实测LNR3~6水平等效刚度 分别为250、240、230、230 N/mm。

依据JG/T 209-2007《建筑消能阻尼器》，对速度相关型黏滞阻尼器进行单轴动力滞回试验，以正弦波变化的位移 控制加载，按输入速度幅值分别为 、 、 、 、 逐级进行单轴动力滞回加载。根据速度相关型黏滞阻尼器力-速度理论公式( )对阻尼系数和阻尼指数进行拟合，其力学性能参数见表2。各工况的试验实测数据点偏差均在±15%以内，表明速度相关型黏滞阻尼器受力性能较为稳定。

2.3 加载方案及测点布置

根据《建筑抗震设计规范》和《建筑隔震设计标准》，分别对非隔震结构和两类复合隔震结构进行选波，各采用1条远场、近场和人工地震波作为振动台台面输入激励，基本信息汇总于表3。

试验中对非隔震结构和两类复合隔震结构进行水平单向地面峰值加速度 a _PG 增幅加载振动台试验，在 a _PG 改变前后各进行一组白噪声工况，测试试验结构动力特性变化。采用同济大学多功能振动台试验室的多点振动台试验系统，通过加速度传感器、位移计等量测上部结构和隔震层动力时程响应，测点布置如图3所示。

LNR-LR型和LNR-VD型复合隔震结构体系整体及局部典型试验动态过程见视频。

振动台试验结果由试验数据经滤波降噪、去除趋势线、提取峰值等数据处理方法整合而成，主要包含结构基本动力参数、结构加速度响应、隔震层位移响应，具体分析如下：

3.1 基本动力参数

试验模型基本动力参数是结构的固有动力特性，包括自振周期、阻尼比和振型等，由白噪声工况计算得到。以振动台台面加速度时程作为输入，顶层配重块挂机点处的绝对加速度时程作为输出，通过传递函数可以得到幅频图和相频图，在幅频图上分别采用寻峰和半功率带宽法确定结构自振频率 ω 和阻尼比 ξ ，结合相频图上相应频率相位并以振型最大幅值归一化后，可以得到结构的振型。 X 向第一阶模态如图6所示，其中， A _m 和 A _max 分别为 X 向第一阶模态下、第 m 质点层相对振动台台面振幅及各质点层峰值振幅。

3.2 结构加速度响应

结构顶层最不利挂机点处绝对加速度时程响应如图7所示，由图7可见，在远近场、人工地震波激励下，两类复合隔震结构均具有良好的加速度控制效果。提取主要结构方向的绝对加速度峰值，并定义峰值加速度放大系数 为顶层最不利挂机点绝对加速度峰值与振动台台面输入加速度峰值的比值，峰值加速度减震系数为 相比于非隔震结构的复合隔震结构峰值加速度降低百分比，计算式分别如下：

特别地，顶层设备最不利挂机点的选取位置在第3层所有加速度计记录的 最大值处，如图3b所示。 代表基底振动台所记录的绝对加速度峰值。 越小，减震效果越明显； 越大，减震效果越明显。

3.3 隔震层位移响应

图8中给出了 a _PG 为0.30 g 、0.40 g 的地震激励下非隔震结构与两类复合隔震结构模型底座处相对位移 时程响应，可以看出：

1) 非隔震结构中，底座结构处监测的水平相对位移均很小，表明支座处全螺栓连接形式可以基本实现底座固接；

2) 复合隔震结构中，底座结构两侧水平相对位移时程响应相差不大，表明两类复合隔震结构在振动过程中几乎没有发生扭转变形；

3) LNR-LR型复合隔震结构中，罕遇地震作用下隔震层相对位移峰值为109.9 mm，满足《建筑隔震设计标准》中限值要求，但基本无安全冗余度；LNR-VD型复合隔震结构中，相应位移峰值为74.9 mm，具有一定安全余量；

4) 在各地震波停止输入后5 s内，两类复合隔震结构底座相对位移基本为零，表明隔震支座基本复位，几乎没有残余变形。

1) 基于装配式工业设备支架形式的LNR-LR型及LNR-VD型复合隔震结构体系均具有良好的隔震效果，其中平均峰值加速度减震系数分别可达77.68%和80.82%，上部结构顶层设备最不利挂机点处加速度峰值响应严格控制在设备加速度响应限值以下，且实现上部主体结构保持“大震弹性”状态。

2) 相比非隔震结构，LNR-LR型及LNR-VD型复合隔震结构均可以有效延长结构基本周期，提高结构阻尼比，且振动模态基本保持平动。

3) 相比LNR-LR型复合隔震结构，LNR-VD型复合隔震结构兼具良好的加速度及位移控制效果，可更为有效地实现在满足设备加速度限值要求下，使得隔震层最大水平位移响应满足罕遇地震作用下隔震位移要求，且基本无残余位移。

4) 钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构动力特性接近，通过在基底合理布置LNR-LR复合隔震支座和LNR-VD复合隔震装置，两种结构具有相近且有效的振动控制效果。

5) 随着抗震需求的不断增加，仅采用一种支座的隔震体系往往不能满足多目标结构控制需求，复合隔震体系在多重控制领域具有广阔的应用前景。