采用具有非线性约束机制的摩擦滑动隔震轴承的地铁站的抗震性能分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance analysis of a subway station incorporating friction sliding isolation bearings with nonlinear restraining mechanisms

地铁车站中心柱易发压缩-剪切失效问题，提出顶部安装摩擦滑动隔离支座，结合MoS?涂层滑动面与环形锥弹簧的非线性机制，实验与有限元分析表明在0.4g地震动下峰值位移减小21.1%，并改善结构抗震性能。

　　

熊忠明|王海燕|陈轩|陈志|聂贵波

中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨，150080，中国

摘要

地铁站中的中央立柱在地震中容易发生压剪破坏，这威胁到整个结构的抗震完整性。为了解决这个问题，本研究提出在地铁站立柱顶部安装具有非线性约束机制的摩擦滑动隔震轴承。该轴承提供两阶段刚度响应：初始刚度较低，有利于实现抗震隔离；屈服后的刚度较高，增强了结构的恢复能力。这种性能是通过涂有MoS₂的滑动界面和环形排列的圆锥弹簧实现的，从而能够在地铁站严格的高度限制内实际应用。通过压剪试验来表征MoS₂的摩擦行为和非线性力-位移响应。同时，使用ABAQUS软件建立了有限元（FE）模型，以研究弹簧配置对能量耗散的影响，并探讨轴承在土-站系统中的隔震机制。结果表明，随着弹簧丝直径的增大和活动圈数的增加，轴承的能量耗散能力也随之提高。在0.4 g的峰值地面加速度（PGA）作用下，该轴承能够减小中央立柱的变形响应，峰值位移比降低了21.1%，并显著限制了残余变形。内力和损伤分析表明，地震能量和变形从中央立柱转移到了楼板上，从而形成了更有利于结构安全的破坏模式。变形响应分析进一步证实了这种能量重新分布的现象。

引言

随着城市化进程的加快，地下铁路系统在缓解交通拥堵方面发挥着越来越重要的作用，对现代城市的发展至关重要。然而，地震事件（如1999年台湾的集集地震[1]、2008年中国的汶川地震[2]和2016年日本的熊本地震[3]）对地下结构造成了严重破坏。例如，在1995年的日本神户地震中，大开站有超过30根中央立柱受损，地面沉降达到了2.5米[4]。此类地震破坏不仅扰乱了地下和地面交通系统的运行，也给灾后恢复带来了巨大挑战。因此，提高地铁站的抗震性能在科学和实践上都具有重大意义。现有研究已经探讨了地铁站在地震荷载下的破坏机制，特别是在高轴压比条件下。较高的轴荷载显著降低了中央立柱的延展性，加剧了脆性破坏，影响了其侧向变形能力。为此，之前的研究对中央立柱进行了改造，以提高地下结构的抗震性能。例如，采用了分体立柱[5]、截断立柱[6]、分段核心立柱[7]以及用碳纤维增强聚合物（CFRP）层加固的立柱[8]等方法。然而，截断或分体立柱与现浇（CIP）混凝土构件之间的结构连接在强度和变形能力方面通常较弱，这使得它们在强烈震动下容易失效，并且灾后修复较为复杂。此外，CFRP与基材之间的粘结性能高度依赖于现场施工质量，其在不同环境条件下的长期耐久性和与传统材料的兼容性尚未得到充分验证。

与地上建筑不同，地铁站受到立柱顶部空间有限、内部立柱网格密集、土-结构相互作用强烈以及维护要求严格等因素的制约，因此需要专门为站内条件设计的低矮型隔震装置。先前的研究表明，在立柱顶部安装隔震轴承可以中断重力-侧向力的传递路径，减少整体力的传递和立柱的侧向变形[9,10]。这种配置还可以避免对基础和防水的干扰，降低施工风险，并允许在对站内运营影响最小的情况下检查和更换设备[11]。之前的研究还调查了在中央立柱顶部安装铅橡胶轴承（LRBs）的地下地铁站[12]。这些研究表明，LRBs可以通过限制侧向位移有效减轻对立柱和内部楼板的地震损害。刘等人[13]分析了在大开站安装橡胶轴承的结构，发现与非隔离配置相比，中央立柱的水平变形、剪力和弯矩显著减小。郑和刘[14,15]进一步对地铁站中的层压橡胶轴承进行了数值和振动台试验，证实了中央立柱隔震措施能够显著降低结构的地震响应。然而，传统的橡胶隔震轴承在高温下的耐受性有限，并且容易因老化而性能下降[16]。为了克服这些限制，提出了摩擦滑动轴承作为一种有效的隔震解决方案。由于其耐腐蚀、耐热和耐磨的材料特性，这些轴承具有优异的防火性能、长期耐久性和高承载能力，即使在高湿度和高温等恶劣环境下也能保持稳定性能。

摩擦滑动隔震技术在各种工程结构中的应用已经得到了广泛研究。郑等人[17]研究了一种用于连续桥梁的超弹性圆锥摩擦摆隔震器，以控制近震地震下的位移和力需求，并开发了一种具有可变摩擦力的阻尼自适应摆隔震器[18]，以实现位移依赖的能量耗散。数值和实验证据表明，这些基于摩擦的滑动系统可以通过减少梁的位移、限制桥墩的剪力和减轻残余变形来显著提高结构的抗震韧性。在地下结构应用中，马等人[19]在浅埋地铁站的中央立柱顶部安装了摩擦滑动轴承，并通过数值模拟表明，这种配置能有效减轻损伤集中。庄等人[20]在立柱顶部安装了弹性摩擦滑动轴承，有效减轻了中央立柱和中间楼板的地震损害。对于更复杂的地下站-土-地上结构（USSI）系统，陈等人[21]进行了实验和数值研究，证明这种隔震策略显著降低了加速度、位移和层间位移，从而提高了整体抗震性能。然而，传统用于地铁站隔震系统的摩擦滑动轴承通常缺乏足够的恢复能力，并且容易产生明显的残余位移。为了解决这个问题，本研究提出了一种在中央立柱和纵向梁之间安装具有非线性约束机制的摩擦滑动隔震轴承。其创新之处在于将恢复能力和随位移逐渐增加的侧向刚度结合在一个低矮型的立柱顶部轴承中。该轴承结合了涂有MoS₂的滑动界面（提供稳定的能量耗散和低初始侧向刚度）和环形排列的圆锥螺旋弹簧（提供恢复力和渐进的侧向响应）。在小到中等位移范围内，系统以软刚度解耦输入运动；而在较大位移范围内，额外弹簧的参与增加了有效刚度，限制了侧向位移并减少了残余位移。这种配置在立柱顶部易于维护，并允许在对站内运营影响最小的情况下进行检查和更换。

在本研究中，开发了一种具有非线性约束机制的摩擦滑动隔震轴承，系统地分析了其力学行为，并使用一个代表性的两层三跨地铁站模型对其性能进行了评估。研究结果为地下基础设施的抗震隔震提供了理论支持和设计指导，同时符合最近强调耐久性评估、生命周期服务性和系统级鲁棒性的韧性导向框架[22,23]，从而突出了所提出系统在地下交通设施中的实际适用性和持续性能的相关性。

隔震轴承的组成

本研究提出的摩擦滑动隔震轴承由五个主要部件组成：（1）不锈钢滑动板，（2）涂有MoS₂的滑动块，（3）顶盖，（4）防分离环，（5）圆锥弹簧组件，如图1所示。圆锥弹簧具有非线性恢复特性，其恢复力随变形逐渐增加。这种配置同时满足了低初始滑动力的要求

目标结构

目标结构基于西安康福路地铁站。它是一个两层三跨的钢筋混凝土框架，截面尺寸为20.5 × 13.21米，嵌入深度为4.8米（图14(a)）。侧壁、楼板和中央立柱采用C40混凝土和HRB335/HRB400钢筋进行建模，遵循原型细节（图14(b)）。FE模型采用了这种原型几何形状和钢筋配置，并与缩小比例的模型进行了对比

中央立柱的响应

中央立柱承受最高的地震荷载，是最脆弱的结构部件，本研究对其内力响应进行了分析。如图23所示，在0.4 g的峰值地面加速度（PGA）作用下，非隔离结构的立柱底部产生了903.05 kN的剪力和2134.51 kN·m的弯矩。相比之下，隔离结构的剪力减少到了186.2 kN，弯矩减少到了565.43 kN·m，表明所提出的隔震措施有效提高了结构的抗震性能

结论

本研究开发了一种具有非线性恢复机制的摩擦滑动隔震轴承，并将其安装在地铁站的中央立柱顶部，以减轻其在地震荷载下的压剪破坏风险。通过压剪试验和数值模拟确定了轴承的关键设计参数和力学性能。基于有限元土-站相互作用模型，研究了隔震轴承的地震响应和损伤模式

CRediT作者贡献声明

熊忠明：资源、方法论、概念构思。王海燕：写作——审稿与编辑、项目管理、调查、数据分析、概念构思。陈轩：验证、资金获取、概念构思。陈志：监督、软件开发。聂贵波：可视化。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中国地震局工程力学研究所科学研究基金（资助编号：2023D34）、国家自然科学基金（资助编号：52378534）以及陕西省教育厅的协同创新中心项目（项目编号：23JY042）和陕西省科学技术厅的关键研发合作项目（项目编号：2024SF2-GJHX-01）的支持。