电磁吸盘-摩擦摆复合隔震支座理论分析与试验研究

为解决摩擦摆支座在外部荷载激励下不具备抗拔性的缺点,基于电磁原理和半主动控制思想,提出了一种以电磁力为基础,结合传统摩擦摆的电磁吸盘-摩擦摆复合隔震支座(Electromagnetic Chuck-Friction Pendulum System,ECFPS)。介绍了该复合隔震支座的构造特点和耗能机制,并基于电磁原理推导出电磁吸盘吸力以及ECFPS的等效刚度、周期和等效阻尼比等理论公式,建立了ECFPS计算模型。设计并制作了一个缩尺比为1∶3的ECFPS试件,对不同输入电流、竖向荷载和不同位移幅值下的滞回性能进行了试验研究,探究了不同输入电流对抗拔性能的影响。试验结果表明:理论值与试验值吻合度较高,验证了理论公式推导的正确性;等效刚度和单位循环耗能变化明显,两者最大变化幅度分别为19.81%和28.16%;随着电磁吸盘输入电流的增大,ECFPS支座的抗拔性能提高,实现了支座竖向抗拔的功能。

基于磁悬浮理论的自适应抗拔摩擦摆隔震支座力学性能研究

为解决摩擦摆隔震支座抗拔能力不足的问题并优化其隔震性能,将传统的摩擦摆支座(FPB)和半主动控制思想相结合,提出一种自适应磁悬浮抗拔摩擦摆隔震支座(AMFPB)。基于磁路理论进行理论分析,推导出U型电磁铁的电磁力公式,以及AMFPB刚度、周期和等效阻尼比计算公式;对U型电磁铁进行位移-电磁力试验分析,建立AMFPB有限元模型,并对不同位移幅值、不同电磁铁匝数和输入电流下支座的滞回特性和抗拔性能进行分析。研究结果表明:U型电磁铁的位移-电磁力试验结果与理论结果吻合度较好,计算得到的AMFPB滞回曲线与数值模拟结果基本相同。AMFPB随滑动位移的增加可调节自身的刚度及耗能,有利于支座位移的控制。

摩擦摆支座在软弱夹层场地地下结构中的减震效果分析

较一般成层场地而言,软弱夹层场地中地下结构抗震与减震问题更为突出。以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究软弱夹层对地铁车站结构的地震响应规律的影响,并对比分析了设置摩擦摆支座的车站结构在均质场地和软弱夹层场地的减震效果。结果表明:软弱夹层穿越地铁车站结构时,结构的整体和中柱的变形以及中柱底部的内力会大幅度增加,且随着夹层厚度增加,结构变形和内力的增加幅度更为明显。在中柱顶部设置摩擦摆支座,中柱的最大位移以及内力值均减小,且软弱夹层场地中摩擦摆支座的减震效果要明显优于一般均质场地,建议在软弱夹层场地地下结构中采用摩擦摆支座进行减震设计。

基于摩擦摆支座的高速铁路简支梁桥减隔震效果分析

为研究摩擦摆支座在高速铁路简支箱梁桥的减隔震效果,以24、32、40m典型跨径高速铁路简支梁桥为研究对象,采用MIDAS/Civil有限元软件分别建立传统抗震体系和减隔震体系模型进行非线性动力时程分析,研究桥梁墩高、桥梁跨径和地震动峰值加速度(PGA)等因素对简支梁桥地震响应的影响。研究结果表明:桥墩墩高和截面形式对墩底内力和墩顶位移的减震效果有较大影响,但在5~20m墩高内受墩高的影响更为显著;墩高从5m增加到20m时,墩底内力减震率分别为80%、35%,墩高从25m增加到45m时,墩底内力减震率分别为46%、37%;桥梁跨径对结构减震率有一定影响,但在10%以内;PGA对墩底内力和墩顶位移的减震率总体上影响较小;墩高和PGA对FPB支座位移影响较大,PGA影响更为显著,支座位移增大倍数明显大于对应的PGA增加倍数。

基于位移-速度输入法结构多点激励FPS支座隔震效果研究

受行波效应、相干效应、场地效应的影响,大跨度结构的多点激励地震反应分析非常复杂,且考虑多点激励下对大跨空间网格结构隔震性能的影响是结构工程抗震方向中有重大意义的研究课题。以单层圆柱面大跨度空间网架结构为研究对象,基于直接位移法,应用SAP2000有限元软件建立了多点激励动力反应时程分析模型,进行结构在地震动一致激励和多点激励作用下的动力反应分析计算。结果表明:水平地震动多点激励效应对大跨度空间结构的影响十分显著,需采取使用多点激励输入方式。不设置隔震支座时,多点激励下,支撑柱弯矩与剪力随波速的减小而明显增加,柱顶位移变小,中柱轴力略微上升。基础隔震时,各支撑柱柱顶内力与位移的分配较无隔震时存在差异。边柱的弯矩、剪力及轴力均小于中柱的相应值,但柱顶位移增加明显。柱弯矩减震效率保持在45%~75%,柱剪力减震效率保持在60%~85%;柱顶隔震时,能得到比基础隔震更高的隔震效率,且柱弯矩隔震效率高达90%左右,柱剪力隔震效率保持在85%~90%。柱顶位移显著减小,柱轴力比基础隔震时略有增加。

超大跨连续梁桥摩擦摆支座隔震性能研究

为了研究大跨度连续梁桥采用摩擦摆支座的隔震性能,以福州市某主桥为七跨钢-预应力混凝土混合连续梁桥为工程背景,通过有限元软件SAP2000建立了空间动力模型,采用非线性时程分析方法,研究了摩擦摆支座对超大跨连续梁桥的减震效果。结果表明,采用摩擦摆支座可以减小结构基频及大大降低固定墩的地震响应,提高结构抗震性能,并且在主跨桥墩上布置摩擦摆支座是经济合理的,可为同类型桥梁的隔震措施设计提供参考。

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.

摩擦摆支座理论研究

摩擦摆支座是一款摩擦型耗能器,具有优异的性能。本文以永宁黄河公路大桥支座施工为例,通过有限元软件对球形支座、柱面支座进行抗震模拟分析,为支座的设计与施工提供参考。

摩擦摆支座对长联波纹钢腹板桥抗震性能的影响

通过分别建立采用摩擦摆支座与普通盆式支座的超长联波纹钢腹板连续梁桥全桥有限元模型,对比分析各自的自振特性、三组不同地震波激励下的桥梁上下部结构响应,探究摩擦摆支座对于超长联波纹钢腹板连续梁桥抗震性能的影响。分析表明:摩擦摆支座能够对桥梁结构发挥非常有效的减隔震作用,既能延长主梁结构的水平向自振周期,以改善上部结构抗震性能,又能对桥梁下部结构起到十分有效的减振作用;摩擦摆支座也会使主梁产生较大的顺桥向水平振动幅值与横桥向永久位移。

摆式球形摩擦摆支座理论与有限元模拟分析

运用有限元软件ABAQUS对竖向荷载为700 kN的摆式球形摩擦摆支座进行了模拟分析,研究摩擦因数、滑移位移x、弹簧刚度K对支座耗能的影响,得到了支座参数与耗能的滞回曲线并对其进行对比分析。通过模拟结果可得:支座的摩擦因数和滑移位移一定时,支座的残余位移随着刚度的增大而减小,最大差值百分数达到1.95%。可见滑移位移对支座的残余位移影响较大;理论分析和数值模拟最大误差值仅有0.16%吻合较好,且从滞回曲线的饱满程度来看,摆式球形摩擦摆隔震支座有良好的滞回耗能性能;当取值在0.03~0.10、x的取值在50~110之间时支座的最大耗能值达到33.96 kJ。弹簧刚度K取值为200 N·m^(-1)时支座的最大回复力数值为127.66 kN。该支座隔震效果良好,为工程应用提供一定的参考。

张弦梁结构中应用摩擦摆支座的数值模拟分析

在分析了张弦梁结构的自身结构特性后,提出采用摩擦摆柱顶隔震的方法作为该类结构的隔震措施。从理论上研究了张弦梁结构采用摩擦摆隔震的工作机理,并在Abaqus中进行实体建模对比分析了张弦梁结构在隔震与非隔震情况下在大震、中震及小震下的动力反应。结果表明:1)通过设置摩擦摆隔震支座,辐射式张弦梁结构的节点加速度响应得到了有效的控制。2)通过设置摩擦摆隔震支座,辐射式张弦梁结构的杆件动内力得到有效控制,不同部位的杆件控制效果有所差异,上弦杆的内力依然较大,建议在结构设计时对上弦杆适当增加截面尺寸或采用高标号钢材,以保证结构在多遇地震的作用下各个构件均处于弹性工作状态。3)通过设置摩擦摆隔震支座,支撑柱的柱脚反力有所减小,起到了对支撑柱的保护作用。

基于摩擦摆支座的连续梁桥抗震性能提升研究

为探究摩擦摆支座对震后预应力混凝土连续梁桥抗震性能提升效果,以实际工程为背景,分别建立了盆式橡胶支座与摩擦摆支座的全桥三维有限元模型,通过模态分析对比了两种支座对桥梁振动周期的影响;通过改变摩擦摆支座的曲率半径和摩擦系数,盆式橡胶支座和摩擦摆支座的组合形式,研究了摩擦摆支座参数、支座组合形式对桥梁地震响应隔震效率的影响。结果表明:采用摩擦摆支座有效延长了混凝土连续梁桥自振周期;支座隔震效率随摩擦系数变化曲线呈Z型,且摩擦系数在0.03~0.07变化时,支座隔震效率变化明显,曲率半径为4 m时该桥支座耗能能力最佳;桥台支座更换为摩擦摆支座更有利于减小桥墩墩底剪力值,特别是仅更换桥台支座的减震效果略低于全部更换,因此建议对同类型预应力混凝土三跨连续梁桥进行隔震设计时,优先考虑更换桥台支座,以实现成本效益与减震效果的良好平衡。

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。

摩擦摆隔震地铁车站结构地震响应规律研究

基于ABAQUS软件建立土-隔震地铁车站结构静-动力耦合三维数值仿真模型,以典型两层两跨箱型结构为研究对象,将摩擦摆隔震支座应用于地铁车站结构,通过在中柱不同位置布置隔震支座,研究隔震地铁车站的地震响应规律和减隔震效果。结果表明:(1)摩擦摆隔震支座能够增大车站侧墙和板的相对水平位移以及中柱的绝对水平位移且能够有效减小中柱的相对水平位移;从控制结构中柱相对水平位移方面考虑,单支座隔震地铁车站结构应将隔震支座布置于车站底层中柱底部位置,而双支座隔震地铁车站结构应布置于车站顶层和底层中柱柱底位置;(2)摩擦摆隔震支座能够降低隔震层中柱的应力,隔震支座布置于顶层时,其对底层各构件的应力影响较小;隔震支座布置于底层时,最大应力出现在侧墙底部位置且能够有效减小隔震层中柱应力集中的现象;(3)摩擦摆隔震支座能够有效降低隔震层中柱的剪力和弯矩,而对于非隔震层中柱内力的降低则效果不佳;从控制结构中柱内力方面考虑,双隔震支座结构优于单隔震支座结构。

帕德玛大桥摩擦摆隔震支座型式试验及性能分析

摩擦摆隔震支座具有广泛应用前景。孟加拉国帕德玛桥梁工程为“一带一路”重要交通工程,采用了摩擦摆隔震支座,以保障桥梁安全。本文首先介绍了试验采用的大吨位多功能试验机及其主要技术参数,其次采用欧洲EN 15129:2009标准规定对帕德玛大桥采用的两种摩擦摆隔震支座进行了型式试验和性能评估分析。结果表明:摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,耗能效果良好,具有稳定的力学性能及较好的隔震性能,满足设计要求。试验结果为该隔震支座的实际工程应用提供了试验验证,确保了该工程的抗震安全性。

SMA-负刚度摩擦摆支座力学性能

SMA-负刚度摩擦摆支座是在负刚度摩擦摆支座上布置SMA丝或索的一种新型隔震装置。首先介绍了该新型隔震装置的构造特点和工作原理,随后对负刚度摩擦摆支座和布置SMA丝或索的SMA-负刚度摩擦摆支座进行了试验研究,并建立了其恢复力模型,最后通过有限元模拟探讨了位移幅值、摩擦系数、竖向荷载和SMA丝的数量对SMA-负刚度摩擦摆支座力学性能的影响。结果表明:相较于SMA丝,选用的SMA索耗能更大,但残余应变也更大;负刚度摩擦摆支座需搭配SMA等材料形成复合型支座使用,且SMA丝一定要绷直布置在支座两侧;SMA-负刚度摩擦摆支座的力学性能良好,竖向荷载、摩擦系数在增加耗能方面,比提高恢复力更突出,而位移幅值、SMA丝提高恢复力的效果比增加耗能更加显著。

摩擦摆支座在地面结构与地下结构中减震效果对比研究

结合地下结构地震反应特征,在借鉴地面结构减震设计理念基础上,分别设计了摩擦摆支座安装于结构底部和中柱顶部2种减震方案。通过建立土体与地面结构和地下结构整体二维数值模型,运用动力时程分析方法对比研究了不同减震方案对地面结构和地下结构的减震效果。研究结果表明:基底减震方案通过延长地面结构自振周期达到降低结构地震反应的减震机理并不适用于地下结构,地下结构底部安装摩擦摆支座仅能起到减小传递结构底部土层剪力的作用,但整体减震效果并不明显;在中柱顶部设置摩擦摆支座使得关键竖向支撑构件的剪力、弯矩和水平变形都大幅度地降低,因此认为该方案是一种行之有效的地下结构减震措施。

某多层框架隔震结构采用橡胶支座和摩擦摆支座的比较分析

《建设工程抗震管理条例》推行以来,设计人员广泛面临多层框架隔震结构设计方法不明确、不完善的问题,为了探究隔震计算中一些关键设计参数,本文以某8度(0.2g)区重点设防类的多层框架隔震结构为例,采用橡胶支座和摩擦摆支座两种方案,从设计方法和分析结果两方面比较了两种支座隔震结构的异同点。结果表明:摩擦摆支座的反应谱法还有待进一步的研究,橡胶支座的反应谱法较为完善;摩擦摆支座隔震结构和橡胶支座隔震结构的底部剪力比接近;摩擦摆支座水平滑动时产生竖向位移,该竖向位移引起的加速度基本可以忽略;摩擦摆支座传给支柱的弯矩要考虑球冠体的竖向位移;摩擦摆支座的连接螺栓只受剪,没有水平力产生的弯矩,而橡胶支座的连接螺栓承受剪力和水平力产生的弯矩。上述结论对于多层框架隔震结构的设计应用有一定的工程借鉴和理论参考价值。

弹簧改进型单凹面摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

由于普通摩擦摆隔震支座无法控制支座提离的情况,利用弹簧改进后,可减小提离量,且可提供一定抗倾覆能力。因此,本文提出弹簧改进型单凹面摩擦摆隔震支座(spring-single concave friction pendulum bearing,S-SCFPB)。介绍了S-SCFPB的基本构造与工作原理。通过静力平衡原理推导S-SCFPB在平面内运动时力与位移的关系式。用有限元软件ABAQUS对隔震支座进行精细化建模,并将2种隔震支座(SCFPB和S-SCFPB)的滞回曲线进行对比。利用ETABS有限元软件进行算例实体建模,并对S-SCFPB隔震结构和SCFPB隔震结构进行力学性能分析,对比两种隔震支座的隔震效果。分析结果表明:S-SCFPB理论计算与数值模拟滞回曲线吻合较好,可知推导的理论公式较合理;相对于SCFPB,S-SCFPB的滞回曲线更饱满,说明S-SCFPB具有更好的滞回耗能能力;相对于SCFPB隔震结构,S-SCFPB隔震结构的支座水平位移和脱空位移均有所减小,说明增加弹簧装置可以提供一定的抗倾覆能力,并且对于支座的脱空提离具有良好的控制效果。

基于位移输入法结构竖向多点激励 FPS支座隔震效果研究

以单层圆柱面大跨度空间网架结构为研究对象,基于直接位移法,应用SAP2000有限元软件建立竖向多点激励动力反应时程分析模型,并进行结构在竖向地震动一致激励和多点激励作用下的动力反应分析计算。结果表明:采用多点激励输入模式是十分必要的。无隔震时,多点激励作用下,对较小的波速,支撑柱弯矩、剪力增加明显;柱顶位移也有所增加。有隔震时,边柱弯矩减震效率为69%~73%左右,边柱剪力减震效率为54%~65%左右;次边柱轴力增加明显。