Modelling and Analysis of Base Isolated Structures with Friction Pendulum System Considering near Fault Events

The seismic behavior of base isolated structures with friction pendulum slide bearings devices subjected to near fault events characterized by significant vertical ground motion components is investigated. In particular, in order to evaluate the effects of vertical components on seismic response, non-linear dynamic analysis, carried out by using several numerical models, have been performed by considering two near-fault seismic events, L’Aquila 2009 and Emilia Romagna 2012. The obtained results show that increasing vertical seismic motion base shear significantly increases while relative displacements increase very little.

工程结构中新型减隔震支座的研究综述

多次震害经验表明,通过在上部结构和地基之间设置减隔震支座,利用橡胶垫的变形使上部结构的振动周期延长,利用钢构件的屈服或者滑动摩擦耗能来达到消能减震的目的,是一项有效的防震减灾措施。论文从减震机理、性质及应用等方面系统阐述和总结了拉索减震支座、叠层橡胶支座、球形抗震支座以及若干新型减震支座的研究成果,对未来新型减隔震支座的研究方向进行了展望。

非钢制关节轴承制造材料研究进展

随着对关节轴承性能要求的不断提高,寻找新材料替代钢材制备高性能的关节轴承已经成为一个重要研究方向。对非钢制关节轴承内外圈材料及其处理工艺、衬垫和涂层材料进行了详细介绍,针对非钢制关节轴承内外圈材料存在铝合金加工难,钛合金成本高和自润滑层存在摩擦磨损性能较低的问题,提出具有优异摩擦性能,力学性能好、耐腐蚀、易加工的内外圈材料和制备工序简单、低摩擦、高寿命的自润滑层材料是未来非钢制关节轴承材料的发展方向。

边墩约束对塔梁墩固结体系斜拉桥横桥向减震影响研究

为了解塔梁墩固结体系斜拉桥的横桥向地震响应并选取合理的抗震结构体系,以主跨305 m的湖南帅乡特大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立不同边墩约束方案(7种常规支座边墩约束方案、1种摩擦摆球型支座边墩约束方案)的桥梁三维有限元模型,分析不同边墩约束条件对塔梁墩固结体系斜拉桥塔底横桥向弯矩及主梁梁端横桥向位移的影响。结果表明:相较于采用常规支座边墩约束方案,采用摩擦摆球型支座边墩约束方案不仅可以减小塔梁墩固结体系斜拉桥在地震作用下的塔底横桥向弯矩,还可以将主梁梁端横桥向位移控制在较小的数值内,显著提高了塔梁墩固结体系斜拉桥横桥向抗震性能;E2地震作用下,地震引起的结构响应普遍比静力计算结果小,主墩、桥塔及边墩均处于弹性状态,抗震不控制设计。湖南帅乡特大桥最终采用设置摩擦摆球型支座的边墩约束方案。

SDFPB在九层Benchmark钢框架中的隔震性能研究

为研究SMA-复摩擦摆支座(Shape Memory Alloys Double Friction Pendulum Bearing,SDFPB)在多、高层建筑结构中的隔震性能和安全性,基于OpenSees建立了SDFPB的有限元模型,分析了SDFPB力学性能影响因素,将其应用于九层Benchmark钢框架结构中,对比了隔震结构和非隔震结构的地震响应。研究表明,SDFPB隔震系统可以改善九层Benchmark钢框架动力特性,显著削弱上部结构在地震作用下的楼层加速度、层间位移角和层间剪力,有效控制隔震层位移,在多、高层建筑结构中可发挥良好隔震效果并提升安全性。

机体杆端轴承-密封单元的动力学特性

机体杆端轴承在往复摆动的过程中,密封圈磨损严重,导致润滑脂保持率低和轴承寿命短,影响飞机的飞行安全。针对这一问题,建立机体杆端轴承-密封单元系统的动力学模型,分析工况条件(摆动频率、摆动振幅及轴承腔内温度)对系统密封性能的影响以及密封单元参数(密封圈内径、密封圈厚度、橡胶材料硬度、金属骨架轴向尺寸、金属骨架内径)对轴承摩擦力矩的影响规律,结果表明:密封圈与轴承内圈的最大接触应力随轴承腔内温度升高而减小,随轴承摆动频率和摆动振幅增大而线性增大;机体杆端轴承的摩擦力矩随橡胶密封圈厚度和橡胶材料硬度的增大而增大,随金属骨架轴向尺寸和内径的增大而减小,随密封圈内径增大而产生波动,密封圈内径应小于9.5 mm以避免摩擦力矩急剧增大。结合分析结果对密封单元进行增效设计,密封特性及摩擦特性试验结果表明,增效设计后,密封单元的润滑脂保持率提升了17.3%,轴承启动力矩下降了21.6%。

基于摩擦摆球型支座的多跨曲线连续梁桥抗震性能

为了探讨多跨曲线连续梁桥的抗震性能和减隔震方法,对基于摩擦摆球型支座的多跨曲线连续梁桥构建了有限元模型,并进行了动力特性和非线性时程分析.结果表明,桥梁模型的纵向刚度弱于横向刚度,且第1阶振型对桥墩纵向地震反应贡献较大,振型参与系数为29.8%,第6阶振型对桥墩横向地震反应贡献较大,振型参与系数为20%;在E1地震作用下,设置的摩擦摆球型支座能够使桥梁保持弹性工作状态,且支座变形和伸缩缝宽度满足要求;在E2地震作用下,部分桥墩的截面最大弯矩需求大于截面的抗弯承载能力,而进一步的桥墩强度验算发现,结果均满足抗震需求.

摩擦摆隔震支座滑动材料摩擦特性试验研究

摩擦摆隔震支座中滑动材料的摩擦特性对支座隔震耗能起着关键作用。采用摩擦材料试验机,通过控制变量法,对目前常用的4种滑动耐磨材料聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯(M-PTFE)、改性超高分子量聚乙烯(M-UHMWPE)以及新型改性高分子量达克纶(HSM)开展试验,系统研究了正压应力、滑移速度、温度、对磨件粗糙度、长期磨耗对材料摩擦特性的影响规律,比较分析了4种材料的性能优劣点,为明确其不同服役环境提供了参考依据。

三维地震作用下某摩擦摆隔震单层球面网壳振动台试验研究

为研究三维地震作用下某摩擦摆(friction pendulum bearing, FPB)隔震网壳结构的抗震性能,以某跨度为30m的单层球面网壳结构作为原型结构,设计加工了1/10缩尺模型及其FPB系统。采用了5条具有不同特征的三向地震动记录作为动力输入,开展了隔震与非隔震网壳结构模型的振动台试验研究,对使用FPB前后网壳结构模型的自振特性和地震响应进行了对比分析。试验研究结果表明:隔震结构模型的基本自振频率较非隔震结构模型降低了80%;在施加地震波时,可清晰地观察到在FPB启动后,安装于隔震层之上的网壳屋盖呈现整体刚体往复平动;与非隔震结构相比,隔震网壳结构模型的水平双向地震响应有大幅度降低;使用FPB对竖向地震响应也具有一定的控制效果;经过润滑的FPB可提供优良的复位能力。

双曲面球型减隔震支座设计参数分析研究

双曲面球型减隔震支座是我国研发的一种新型减隔震装置,正在被广泛应用于高烈度区大跨径连续梁桥的抗震设计中。该支座滑动球面的摩擦系数μ、球心距H和固定支座的水平极限承载力Fu是影响其抗震性能的3个重要参数。通过对这3个参数进行深入研究,得到桥梁抗震性能与3个设计参数的变化规律,可为采用双曲面球型减隔震支座进行抗震设计的桥梁提供指导。

铁路桥梁减隔震支座仿真设计研究

为探究铁路桥梁双曲面球形减隔震支座设计仿真时正常使用位移间隙对结构地震内力的影响规律,以某高烈度震区大跨连续梁桥工程为例,开展了全桥地震非线性时程反应分析,对比分析了减隔震支座初始位移间隙不同滑移位置下结构的地震内力和位移响应结果,研究结果表明减隔震支座现状模拟方法较不安全。为减少抗震方案比选阶段双曲面球形减隔震支座仿真计算的成本,采用不考虑减隔震支座正常使用位移对双曲面球形减隔震支座仿真进行了简化研究,对比了现状模拟方法与简化模拟方法地震响应差异,论证了简化模拟方法的可行性以及设计要点,并针对双曲面球形减隔震支座不同设计阶段提出了建议,为类似工程开展减隔震设计提供了借鉴。

摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

介绍了摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理。利用力学平衡原理,对摩擦摆隔震支座进行了理论分析,推导了摩擦摆隔震支座的刚度和等效粘滞阻尼比,构造了摩擦摆隔震支座的滞回模型,并探讨了该支座的自回复能力,得到了其最大残余位移计算公式。采用有限元软件ABAQUS,对摩擦摆隔震支座进行实体单元建模,模拟低周反复荷载作用下,该支座的滞回特性与回复特性。研究结果表明:①理论分析和数值模拟结果吻合较好,验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性;②摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能;③摩擦摆隔震支座的刚度与球面半径成反比,可能的最大残余位移为摩擦系数和球面半径的乘积;④该支座的最大应力出现在支座处于设计位移的时刻,且一般位于滑块或支座板球铰面边缘。

强震区多跨长联连续梁桥减隔震设计

为了给高烈度地区多跨长联连续梁桥抗震设计提供参考,以一座(55+4×90+55)m的连续梁桥为工程背景.采用ANSYS软件建立全桥分析模型,基于非线性时程分析方法,对比研究结构采用双曲面摩擦摆支座、黏滞阻尼器和速度锁定装置3种减隔震装置下的地震响应.结果表明:黏滞阻尼器在罕遇地震作用下形成了完整的滞回环,每个阻尼器耗能能力明显;采用双曲面摩擦摆支座、黏滞阻尼器和速度锁定装置时,结构的地震响应相对于传统抗震体系都有一定程度地降低,固定墩内力相对减震率分别为63.44%、6.90%、42.32%,位移相对减震率为65.70%、9.34%、43.77%;采用双曲面摩擦摆支座作为减隔震措施时,墩底内力和墩顶位移远小于黏滞阻尼器和速度锁定装置2种减隔震措施.

双凹摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

介绍了双凹摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理,从力学平衡原理出发对双凹摩擦摆隔震支座进行了理论分析,推导了双凹摩擦摆隔震支座的刚度,分别构造了双凹摩擦摆隔震支座在上下滑动面摩擦系数相同和不同情况下的滞回模型,并探讨了支座的回复特性,得到了其最大残余位移的计算公式.采用ABAQUS软件对双凹摩擦摆隔震支座进行了实体单元建模,数值模拟了低周反复荷载作用下的双凹摩擦摆隔震支座在上下滑动面摩擦系数相同和不同情况下的滞回特性及其回复特性.研究结果表明:①理论分析和数值模拟结果吻合较好,验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性;②双凹摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能;③该支座的刚度与上下滑动面的球面半径之和成反比,其隔震周期也仅与半径有关,与上部结构质量无关;④其最大残余位移为上下两滑动面的摩擦系数和球面半径的乘积之和.

双线铁路简支梁桥的摩擦摆支座适用墩高范围研究

针对常用的32 m跨度双线铁路简支梁桥,研究摩擦摆支座在不同墩高情况下的减隔震率,确定适用墩高范围。运用OpenSEES软件,分别建立不同墩高情况下的采用普通支座(即球形钢支座)和摩擦摆支座的铁路简支梁桥有限元模型。对比采用2种不同支座的桥梁在同一地震动输入下的地震响应,确定不同墩高情况下的摩擦摆支座的墩顶位移减隔震率与墩底弯矩减隔震率。研究结果表明:如果要求纵、横向墩顶位移减隔震率大于55%,同时要求纵、横向墩底弯矩减隔震率大于25%,常用双线铁路简支梁桥的适用墩高范围为0~52 m。

摩擦单摆支座等效摩擦系数数值仿真及试验研究

对摩擦单摆支座的主要参数等效摩擦系数进行了数值仿真及试验研究,为桥梁结构的减隔震设计提供了参考。数值仿真包括等效摩擦系数与滑动面和转动面的摩擦系数、竖向承载力及加载频率三者关系的研究,对比分析了模拟结果与试验结果。结果表明:当滑动面与转动面的摩擦系数为不同取值时,支座等效摩擦系数的模拟值略大于理论值,初步验证了支座等效摩擦系数理论公式的正确性;通过模拟结果与试验结果的对比分析,进一步验证了该理论公式的合理性。

长联连续梁桥双曲面球型减隔震支座参数影响研究

为研究双曲面球型减隔震支座的球面滑动摩擦系数μ_(2)、温变间隙Δ对长联大跨连续梁桥地震响应的影响,以某一联(50+8×100+50)m连续梁桥为对象,采用MIDAS Civil软件建立有限元模型进行分析。提出采用钩单元、间隙单元与摩擦摆单元并联后再与摩擦摆单元串联的方式模拟双曲面球型减隔震活动支座的力学行为。基于有限元模型和时程分析法研究μ_(2)、Δ对支座最大抬升量、墩梁相对残余位移、墩梁最大相对位移、墩底最大弯矩的影响规律。结果表明:支座最大抬升量曲线呈“W”形;μ_(2)、Δ对支座最大抬升量、墩梁相对残余位移的影响最为显著,对墩底最大弯矩的影响较小;μ_(2)增大,桥梁各项地震响应均减小;Δ增大,支座最大抬升量、墩梁最大相对位移、墩底最大弯矩增大;Δ对墩梁相对残余位移的影响较复杂,总体随Δ增大而减小。

双凹摩擦摆支座的设计验证及应用

介绍了双凹摩擦摆支座结构组成及特点,分析了其适用场合。通过设计制造一个双凹摩擦摆支座,对其进行有限元分析及实体支座试验,证明了双凹摩擦摆支座经典理论基本正确,优化的屈服后刚度计算公式更准确。在制造及试验过程中发现双凹摩擦摆支座可能发生滑动面交替滑动的现象。双凹摩擦摆支座从位移最远处返回平衡位置的前半程(1/8周期),实测滞回曲线与有限元计算得到的滞回曲线相差较大。这与以往摩擦单摆支座不同,用常规的有限元方法难以充分模拟。本文给出了相应的解释。

国外减隔震桥梁的失效分析

近年来国外一些减隔震桥梁在地震下的倒塌事件,为我们提出了"灾后分析、处理和规范修正"的重要课题。本文主要介绍国外几座安置了减隔震装置的桥梁,因为减隔震装置的使用不当而造成桥梁失效的案例。着重对土耳其的Bolu高架桥以及日本隔震桥梁在实际地震中会失效的原因进行了综述性的归纳和总结。Bolu高架桥1号线的失效原因主要在于地震隔离系统的设计没有遵照相关的规范要求,而日本采用的橡胶隔震支座的冷冻硬化导致了桥梁超载。分析失效的原因,作好抗震加固、更新和改造,为我们提供了宝贵的经验教训。

摩擦摆支座滑动位移量选取研究

以摩擦摆支座隔震桥梁为对象,采用有限元软件Midas Civil研究摩擦系数、滑道半径以及地震波周期、加速度幅值对摩擦摆支座滑动位移的影响,采用线性拟合方法得到滑动位移的优化计算公式,得到不同抗震区域滑动位移的选取方法。同时采用Matlab对隔震桥梁双自由度力学模型进行地震响应求解,研究滑动位移优化选取方法对桥梁地震响应中主梁位移响应幅值计算精度的影响。结果表明:地震波周期、加速度幅值对滑动位移的影响较大,而摩擦系数、滑道半径对滑动位移影响相对较小。将采用滑动位移传统推荐公式得到的主梁位移响应幅值与有限元法结果比较最大误差可达到67.6%;而采用优化后公式得到的最大误差可减小到10.1%以内,且各地震波作用下主梁位移响应幅值随摩擦系数变化的趋势与有限元法基本一致,同时优化后理论方法与有限元法得到的主梁位移响应曲线具有较好的重合度。