摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻(Ⅱ)——摩擦摆隔震结构的性能分析及摩擦摆隔震技术的应用

本文回顾了曲面式、沟槽式及曲面沟槽混合式摩擦摆隔震结构的地震反应分析和试验研究进展,评价了各类摩擦摆隔震支座的减震性能,介绍了摩擦摆隔震技术的工程应用,分析了摩擦摆隔震技术研究与应用中存在的问题,提出了今后迫切需要解决的若干问题。

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。

某摩擦摆隔震框架结构地震反应分析

介绍摩擦摆隔震支座的基本原理,采用可考虑动轴力和双方向耦合的FP模型建立摩擦摆隔震框架结构,分别用ETABS、SAP2000和MIDAS三个软件对摩擦摆隔震框架结构及其对应的非隔震框架结构进行模态分析、反应谱分析以及动力时程分析。结果表明:安装摩擦摆隔震支座能有效地控制位移、加速度和基底剪力等地震反应,削减构件内力;相比于多遇地震,罕遇地震下支座耗能性能得到更充分的发挥、结构响应降幅明显,减震效果更为理想。

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.

摩擦摆隔震支座振动台试验、数值仿真及应用研究

通过模型振动台试验和数值仿真,对适用于高层建筑结构的大吨位摩擦摆隔震支座在不同地震荷载工况下的动力响应和隔震性能进行了深入研究,试验模型的力学及承载性能在不同地震动水准下保持较好,且随着输入激励的增大,支座耗能能力逐渐提高,减隔震效果逐渐增强。隔震支座的数值模拟结果和振动台试验结果吻合良好,取得了较好的模拟效果。在此基础上,选取一复杂高层建筑结构作为研究对象,进行了不同地震波小震和大震激励作用下的动力响应分析,通过对比设置隔震支座与未设置隔震支座的计算结果,总结了高层建筑结构的动力响应规律。结果表明:(1)摩擦摆隔震支座耗能能力随着地震作用的增大而增强;(2)不同类型地震波作用对复杂高层建筑结构的响应明显不同:长周期地震波作用下结构响应明显比普通地震波作用下的结果大,且长周期地震波对结构位移响应的影响较加速度明显;(3)摩擦摆隔震支座对复杂高层建筑结构的地震反应有较为理想的隔震效果,不同地震波作用下结构响应的隔震效果有所不同,且不同响应之间的隔震效果也不相同,位移响应的隔震效果明显大于加速度的隔震效果。

变曲率摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟

介绍了变曲率摩擦摆隔震支座的基本构成,从力学平衡原理出发对变频式摩擦摆隔震支座和锥形摩擦摆隔震支座两类变曲率摩擦摆隔震支座进行理论分析,推导出变曲率摩擦摆隔震支座的刚度,探讨了支座的自回复特性,得出支座最大残余位移的计算公式。采用ABAQUS软件对2类变曲率摩擦摆隔震支座进行实体单元建模,模拟了低周反复荷载作用下的滞回特性与回复特性,并与(球面)摩擦摆隔震支座进行对比分析。研究结果表明:1)理论分析和数值模拟结果吻合较好;2)变曲率摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能,且与初始刚度相同的(球面)摩擦摆隔震支座相比,其等效粘滞阻尼比和耗能系数更大,具有更强的耗能能力;3)变曲率摩擦摆隔震支座的刚度由曲率半径,即曲面函数决定,经合理设计可使得其刚度随着位移增大呈现逐渐减小的趋势,从而使其自振周期随着位移增大而逐渐增大,可较好的解决隔震结构的低频共振问题;4)与(球面)摩擦摆隔震支座相比,该支座刚度软化的机制可使传递给上部结构的剪力减小;5)该支座的最大应力出现在支座位于设计位移时刻,且一般位于滑块或支座板球铰面边缘;6)该支座的最大残余位移由摩擦系数和曲面函数各参数共同决定,可通过理论分析和数值模拟进行合理的参数化设计将其控制在工程可接受的范围内。

国家体育馆2022冬奥新建训练馆摩擦摆隔震设计

国家体育馆新建训练馆为大跨度楼盖结构,为提高其抗震性能、降低温度效应,在主桁架两端底、东西两侧柱顶及剪力墙的牛腿上设置摩擦摆隔震支座,同时在桁架支座处对称设置电涡流阻尼器。针对新建训练馆采用的摩擦摆隔震支座与电涡流阻尼器组合隔震系统,进行了隔震结构在非抗震工况下的受力分析,以及小震、中震、大震下的非线性时程分析。隔震分析结果表明:摩擦摆隔震支座可大幅降低结构在地震作用下的受力,提高结构的抗震性能;对于超长、支承刚度较大的结构,可显著减小结构的温度效应。通过采用电涡流阻尼器,避免了油缸漏油问题,提高了隔震系统的耐久性。

设置抗拔型三重摩擦摆隔震支座框架结构地震响应分析

抗拔型三重摩擦摆隔震支座是一种新型隔震支座。以框架结构为例,利用ANSYS软件建立了6层和10层普通抗震结构和带该支座的基础隔震结构模型;通过模态分析,得到了结构的自振周期;通过地震响应分析,提取了6层框架隔震层和顶层的位移、加速度和剪力时程曲线,并提取了不同层数不同结构类型的各层间位移、加速度幅值。结果表明:与抗震结构相比,基础隔震结构周期显著增大;隔震结构的变形主要集中在隔震层,隔震层以上的结构基本为整体平动,结构的地震位移反应得到了有效的减小;采用抗拔型三重摩擦摆隔震支座能降低结构地震加速度反应;设置抗拔型三重摩擦摆隔震支座的多层数隔震结构的能量衰减不如低层数的隔震结构迅速。

摩擦摆隔震支座阻尼特性研究

采用有限元软件ABAQUS建立摩擦摆隔震支座(FPB)的实体模型,研究了在拟静态加载条件下,摩擦摆支座的几何参数对其刚度和耗能情况的影响规律。在使用等效线性化方法时,由于摩擦摆支座的位移情况受输入烈度和自身参数影响较大,故计算等效线性化参数时,选取合适的位移值对得到准确的结果十分重要。通过对比非线性时程分析与等效线性化的计算结果,分析各参数支座在不同激励下的响应,得出等效阻尼比超过30%的支座不宜进行等效线性化。

摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻(Ⅰ)——摩擦摆隔震支座的类型与性能

摩擦摆隔震支座是一种具有广泛应用前景的隔震支座,本文回顾总结了20多年来国内外摩擦摆隔震支座的开发和研究进展。依据几何构造的异同将现有的各摩擦摆隔震支座分为曲面式、沟槽式、曲面沟槽混合式摩擦摆隔震支座等3类,分别介绍了各类摩擦摆隔震支座的基本构造、隔震原理、消能机制与回复机制、性能研究和分析模型等。

基于改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座的层间隔震结构地震响应分析

基于三重摩擦摆隔震支座的优缺点以及SMA螺旋弹簧的特性,提出了一种改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座,介绍了改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座的构造特点和力学原理,并以大底盘单塔结构为例,利用SAP 2000软件分别建立了普通抗震结构、层间隔震结构两种结构模型,通过在罕遇地震作用下的动力时程分析,得出两种结构在地震作用下的不同响应(层间位移、楼层加速度、层间剪力、能量耗散),并对结果进行了对比分析。结果表明,改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座具有良好的隔震效果。本文为这类工程的实际应用提出了可行性建议。

摩擦摆隔震支座在华东师范大学滨海附属小学中的应用与分析

结合华东师范大学滨海附属小学项目,阐述了对采用摩擦摆隔震支座的钢筋混凝土框架隔震体系中的设计关键问题,对比分析了摩擦摆支座隔震方案和叠层橡胶支座隔震方案在不同组合工况下支座内力、位移的隔震效果及其分布情况。分析表明:摩擦摆隔震支座的力学性在现有结构计算软件中能很好的模拟;摩擦摆隔震支座和叠层橡胶隔震支座均能达到相同的隔震目标;采用摩擦摆隔震支座不需调整上部结构或隔震层结构布置就可以有效控制隔震层的地震扭转反应;个别摩擦摆隔震支座出现提离,设置抗拉构造措施为重点;摩擦摆支座隔震方案应重视面外扭转效应和控制支座提升量。

抗拔型三重摩擦摆隔震支座数值模拟研究

考虑隔震技术在大跨空间结构中研究的现状,针对传统三重摩擦摆隔震支座不具备竖向抗拔能力的缺点,基于抗拔型三重摩擦摆隔震支座的专利设计,对抗拔型三重摩擦摆隔震支座进行构造设计。采用ABAQUS有限元分析软件,对抗拔型三重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自回复特性。研究结果表明:(1)抗拔型三重摩擦摆隔震支座同样具有较宽的隔震范围和良好的自适应性,以及良好的耗能能力。(2)抗拔型三重摩擦摆隔震支座弹簧的设置并不会显著地影响支座的水平特性。(3)由于弹簧的设置,抗拔型三重摩擦摆隔震支座的残余位移较传统三重摩擦摆隔震支座有所减小。(4)随着竖向荷载的增大,刚度增大的同时,滞回环的面积有所增大,因此耗能也同样增大。(5)弹簧的初始张力对抗拔型三重摩擦摆隔震支座的滞回特性并没有很大的影响。

近场地震作用下三重摩擦摆隔震结构的动力响应分析

利用通用结构设计与分析软件SAP2000分别建立了一幢8层带裙房钢筋混凝土框架的抗震结构、三重摩擦摆层间隔震结构和三重摩擦摆基础隔震结构。对比分析了三种结构在近场地震中的动力响应。结果表明:(1)三重摩擦摆隔震支座不仅对远场地震有效,对近场地震依然有很好的减震效果;(2)对于三重摩擦摆层间隔震结构,由于隔震层下部结构为抗震结构,地震反应有所放大,设计时应该予以考虑;(3)近场地震作用下,三重摩擦摆隔震支座能够保证结构的变形始终限制在弹性范围内,限制了不规则结构出现平移-扭转的情况,从而避免结构发生严重的扭转破坏。

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。

摩擦摆隔震支座力学模型的探讨

建立了与双线性模型、Bouc-Wen模型以及FP模型相对应的两节点连接单元,模拟FPB在低周反复加载下的滞回特性,比较了3个模型分析结果的异同;最后,通过对FP模型进行参数影响分析,探讨了3个力学模型的适用范围。研究结果表明：在库伦摩擦假定及支座轴力不发生变化的前提下,3个模型所得滞回曲线较为一致,用以模拟FPB均是可行的;FP模型能考虑高速与低速摩擦系数不同,且能考虑动轴力的影响,故该模型更能贴近FPB真实的工作性态,更具广泛适用性,建议优先采用。

基于3D-BASIS-ME摩擦摆隔震系统隔震效果分析

摩擦摆隔震系统(FPS)由于其独特的结构形式,具有限位、自动复位以及通过滑动摩擦消耗地震能量等优点,能有效地减少地震作用对上部结构的影响,隔震效果明显,因此近年来得到广泛的应用。为了更深入地研究摩擦摆隔震系统的隔震效果及其影响因素,基于摩擦摆隔震系统的基本特性与隔震机理,利用隔震计算专用软件3D-BASIS-ME对隔震框架结构在不同地震波作用下的隔震效果进行了分析计算,与文献试验结果进行对比,发现数值结果与试验结果吻合良好,从而验证了3D-BASIS-ME软件计算的准确性与可行性,在此基础上对不同合成刚度的摩擦摆隔震系统的隔震效果进行数值分析,并确定了隔震效果最佳时,隔震系统的刚度范围,其结论可为实际工程的设计提供参考。

旋转质量摩擦阻尼器限位摩擦摆隔震桥梁地震响应分析

针对现有隔震桥梁限位装置以及摩擦阻尼器存在的不足,利用机械领域常用的滚珠丝杠提出一种具有响应放大和负刚度效应的新型旋转质量摩擦阻尼器(Rotational Mass Friction Damper,RMFD)限位装置,介绍该装置的构造及作用机理,推导装置的恢复力计算公式,进行拟静力试验,设计装置在隔震桥梁中的布置方式,给出了在SAP2000中实现RMFD装置恢复力模型的方法,利用MATLAB和SAP2000对同一单自由度结构的响应进行对比,验证了方法的有效性。进而以某一6跨连续摩擦摆隔震桥梁为研究对象,利用SAP2000软件对比分析大震下非隔震桥梁、摩擦摆隔震桥梁以及RMFD限位摩擦摆隔震桥梁的地震响应、减震率、支座位移控制效果,以及等效摩擦力变化时墩柱响应峰值、减震率及墩柱损伤状态的变化情况。结果表明:RMFD作为桥梁隔震限位装置,仅需要较小的螺栓预紧力即可获得较大的RMFD阻尼器出力,位移行程大、耗能能力强,能够有效地将隔震层的位移控制在允许范围之内,避免支座位移超限引起的落梁、碰撞等震害的发生;同时,桥墩的墩底剪力、墩顶位移等地震反应稍有增大,减震率有所降低,但降幅均在10%以内,隔震桥梁仍具有良好的减震效果;随着等效摩擦力的增大,墩顶位移、墩底剪力、墩底弯矩最大值均不断增大,但支座的位移逐渐减小,说明螺栓预紧力越大,隔震层的位移控制效果越好,但其余地震响应的控制效果变差,桥墩损坏程度会加大,因此应合理设计预紧力的大小以取得理想的减震效果。

轨道式变摩擦摆隔震支座力学性能研究

为了克服摩擦摆隔震支座存在的不足,并实现支座水平刚度与阻尼任意变化,研发了轨道式变摩擦摆隔震支座(RVFPS)。通过卡扣式滑块与滑动面柱面接触,减小支座体积的同时克服了滑移支座不能承担拉力的缺点,且可实现正交方向上支座性能解耦。在确定了滑动面不同摩擦区域与滑块相交范围的基础上推导出了RVFPS变摩擦力表达式,并由此得到了RVFPS滞回性能理论解,提出了RVFPS水平刚度渐增、零刚度与负刚度的确定依据及其设计流程,并对以上三类RVFPS的滞回性能进行了研究。结果表明:RVFPS具有充分的自适应性,可实现支座水平刚度与阻尼的任意变化,降低隔震层水平刚度的同时增强了其耗能能力,支座具备充足的抗拉能力,且实现了隔震支座性能解耦,拓展了现有的隔震理论。