摩擦擺隔震支座的開發(fā)與研究進(jìn)展

摩擦擺隔震支座的開發(fā)與研究進(jìn)展

1滑移裝置的改進(jìn)目前，工程上最常用的振動(dòng)除震器（部件）可根據(jù)其振動(dòng)分離原理和特性，分為：彈簧分離（橡膠分離）、滑動(dòng)分離和混合分離地震分支。摩擦滑移隔震是開發(fā)應(yīng)用最早的隔震技術(shù)之一,但是由于摩擦滑移隔震裝置通常由隔離地震的摩擦滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和限位復(fù)位的阻尼向心機(jī)構(gòu)組成,而傳統(tǒng)的平面滑移系統(tǒng)不能自動(dòng)復(fù)位,一般需加設(shè)另外的復(fù)位系統(tǒng),且滑動(dòng)性能離散性大、不易控制?；屏窟^大,有時(shí)可能導(dǎo)致穿越隔震層的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞,甚至可能發(fā)生滑移失穩(wěn),這極大地阻礙了滑移隔震的發(fā)展。為了解決傳統(tǒng)平面滑移系統(tǒng)不能自動(dòng)復(fù)位這個(gè)問題,Zayas等人對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),于1985年在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了摩擦擺隔震裝置[1~3],稱之為摩擦擺系統(tǒng)/支座(FrictionPendulumSystem/Bearing,簡(jiǎn)稱FPS/FPB)。它除了具有平面滑移隔震裝置對(duì)地震激勵(lì)頻率范圍低敏感性和高穩(wěn)定性等特性外[4~6],特有的圓弧滑動(dòng)面使其具有自復(fù)位功能,無(wú)需附設(shè)阻尼向心機(jī)構(gòu),使其在實(shí)際應(yīng)用中更為簡(jiǎn)便,增加了隔震裝置的可靠度。經(jīng)過20余年的發(fā)展,已研制出10余種摩擦擺隔震支座,并已在大量工程中得到應(yīng)用,成為一種具有廣闊發(fā)展前景的隔震支座。本文依據(jù)幾何構(gòu)造的異同將現(xiàn)有的各摩擦擺隔震支座分為曲面式、溝槽式、曲面溝槽混合式3類,并分別介紹了各類摩擦擺隔震支座的基本構(gòu)造、隔震原理、消能機(jī)制與回復(fù)機(jī)制、性能研究和分析模型等。2摩擦損失表的表面2.1擺隔震裝置的試驗(yàn)研究目前為止,眾多學(xué)者對(duì)摩擦擺隔震系統(tǒng)進(jìn)行了研究,在最初Zayas提出的FPS/FPB的基礎(chǔ)上研發(fā)了許多具有新的構(gòu)造形式的摩擦擺隔震支座(器),但它們的構(gòu)造或工作原理均可由FPB演變或延伸得到。故在此,對(duì)Zayas等人提出的FPB的基本構(gòu)造和特征做以簡(jiǎn)單介紹。摩擦擺隔震系統(tǒng)的滑塊中有一關(guān)節(jié),它使滑塊在其沿滑道滑動(dòng)時(shí)保持水平?；琅c滑塊滑動(dòng)面具有相同的曲率半徑且涂有低摩擦材料,如聚四氟乙烯(特氟龍)等。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^靜摩擦力時(shí),摩擦擺支座通過球形滑動(dòng)面的運(yùn)動(dòng)使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運(yùn)動(dòng),支座的水平力為滑動(dòng)面摩擦力和上部結(jié)構(gòu)沿滑道上升產(chǎn)生的恢復(fù)力的合力。隔震系統(tǒng)的周期和剛度可通過選取合適的曲率半徑來(lái)控制,阻尼由動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)控制。圖1所示為摩擦擺隔震支座的截面圖,其中,滑動(dòng)面朝上的支座一般用于基底隔震;而滑道面朝下的支座一般用于層間隔震。摩擦擺隔震支座提供的恢復(fù)力使支座能依靠其承托的重力往中心位置回復(fù),使地震響應(yīng)得到控制。并且該支座的剛度中心存在自動(dòng)與隔震結(jié)構(gòu)的質(zhì)心重合的趨勢(shì),因而能在一定程度上消除結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。摩擦擺隔震支座的周期、豎向承載力、阻尼比、側(cè)向位移和抗拉力等指標(biāo)可以進(jìn)行單獨(dú)控制,十分便于設(shè)計(jì)人員對(duì)隔震系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。加州大學(xué)地震工程研究中心(EERC)、美國(guó)國(guó)家地震工程研究中心(NCEER)和加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)等科研機(jī)構(gòu)對(duì)摩擦擺支座進(jìn)行了大量試驗(yàn),結(jié)果表明,摩擦擺隔震支座具有穩(wěn)定的滯回性能和優(yōu)異的耐久性。Zayas等人對(duì)摩擦擺支座在溫度、時(shí)間、熱運(yùn)動(dòng)等影響因素下進(jìn)行了測(cè)試,試驗(yàn)證明了其在動(dòng)力測(cè)試下的有效性和可預(yù)測(cè)性;其高抗壓性和穩(wěn)定性可以防止支座過載,提供可靠的安全機(jī)制[8~9]。Constantinou和Mokha等人就滑道內(nèi)襯特氟龍材料的摩擦擺的耐久性和可靠性進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究[4,6,10,11,12,13,14]。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),支座的摩擦系數(shù)不僅與接觸面的材料特性有關(guān),還與接觸面的壓強(qiáng)、滑動(dòng)速度等有關(guān);并且研究了運(yùn)動(dòng)歷史和持續(xù)加載的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:初始起滑摩擦系數(shù)比動(dòng)摩擦系數(shù)要大,且承受長(zhǎng)期荷載后仍能保持穩(wěn)定;滑動(dòng)摩擦系數(shù)始終維持在一個(gè)較低的值,非常適用于基礎(chǔ)隔震。此外,Constantinou等人就近斷層下FPB滑塊的高速滑移和抗拉能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究[15~16]。Seible分別對(duì)奧克蘭海灣大橋加固工程、土耳其博盧高架橋工程和田納西交通管理局的I-40工程等工程中的摩擦擺支座進(jìn)行了高速壓剪試驗(yàn)。Fenz、Kousaka、Hyakuda、郭品宏和江子政等人通過試驗(yàn)研究了壓應(yīng)力、滑動(dòng)速度、溫度、持久反復(fù)測(cè)試等對(duì)摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)的影響,試驗(yàn)反映了支座在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)加載下的穩(wěn)定性能及PTFE卓越的耐磨損性能。曾旭玟對(duì)采用乙烯綸的摩擦(單)擺隔震支座進(jìn)行了一系列的力學(xué)性能試驗(yàn),驗(yàn)證了其具有穩(wěn)定的低摩擦系數(shù)和良好的抗磨損能力。WenyingHu研究指出,將隔震器的力-位移關(guān)系視為線性這一假定既適用于如彈性橡膠支座的線性裝置,又適用于諸如鉛芯橡膠支座和摩擦擺隔震支座的非線性裝置,但后者則是通過等效線性化來(lái)實(shí)現(xiàn)。Nagarajaiah,Constantinou和Reinhorn等將摩擦擺支座用非線性連接單元模擬,編制了計(jì)算程序,并將其嵌入到SAP2000和3D-Basis等通用程序中,該程序能計(jì)算雙向地震下摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。Abrahamson等開發(fā)了常系數(shù)與變系數(shù)的摩擦擺支座單元,該單元以點(diǎn)點(diǎn)接觸單元模擬,考慮了摩擦對(duì)速度和壓力的依賴性以及豎直和水平向的耦合效應(yīng),而后通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。王建強(qiáng)和李大望等人提出了可模擬摩擦擺系統(tǒng)雙向耦合效應(yīng)的雙向耦合力模型,并通過與單向恢復(fù)力模型的模擬對(duì)比驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性[30~32]。焦馳宇等研究了Bouc-Wen模型和考慮動(dòng)軸力與雙向耦合的FPS分析模型。研究表明:對(duì)規(guī)則橋梁的非線性時(shí)程分析而言,采用Bouc-Wen模型是合理的,并針對(duì)性地提出了抗震設(shè)計(jì)中FPS計(jì)算模型、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇應(yīng)遵循的原則。等效線性化模型和非線性連接元模型由理論和試驗(yàn)研究得到,通常是基于小變形,并假定滑塊對(duì)滑道正壓力在滑塊的運(yùn)動(dòng)中是不變的,而且無(wú)法考慮豎向地震動(dòng)的影響。Almazán等通過研究發(fā)現(xiàn)小變形假定可能導(dǎo)致在脈沖型運(yùn)動(dòng)情況下,整體反應(yīng)量相對(duì)于實(shí)際反應(yīng)的差異達(dá)到30%;隔震器法向力則達(dá)50%。因此,為了精確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)和隔震器的反應(yīng),考慮大變形和隆起時(shí)的情形,Almazán等建立了能精確模擬FPS包括真實(shí)大變形(P-Δ效應(yīng))、粘滑、隆起、正壓力變化以及水平與豎向震動(dòng)耦合效應(yīng)等行為的模型[35~37]。針對(duì)FPS的高度非線性,MuratEr9z提出一種可考慮法向力和摩擦系數(shù)變化、大變形以及平面和縱向耦合效應(yīng)的模型,并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證[38~40]。Ingham介紹了模擬摩擦擺支座使用的接觸面模型,該模型采用球形接觸段網(wǎng)格劃分,研究發(fā)現(xiàn)接觸面模型可精確模擬結(jié)構(gòu)的傾覆和垂直地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng);Chaudhary證實(shí)了該模型的正確性,另外該模型還能模擬雙向耦合的摩擦力。此外,Dimizas等提出了FPS模型參數(shù)識(shí)別的一個(gè)非線性優(yōu)化方法,并通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。2.2單擺合成無(wú)共振約束連續(xù)結(jié)構(gòu)為了克服普通摩擦型隔震系統(tǒng)只針對(duì)一定的激勵(lì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)才是有效的這一缺陷,Praneshl和Sinha研發(fā)出一個(gè)稱為變頻擺隔震器(VariableFrequencyPendulumIsolator,VFPI)的新型隔震系統(tǒng)[45~46]。VFPI提供了一個(gè)恢復(fù)力軟化機(jī)制以限制傳給結(jié)構(gòu)的最大力,并且隨著橫向滑動(dòng)位移增加,其隔震周期不斷延長(zhǎng),對(duì)不同的結(jié)構(gòu)和激勵(lì)特性都是非常有效的,可克服近斷層低頻共振的問題[47~49]。蔡崇興等自行研發(fā)了變曲率摩擦單擺隔震器(VariableCurvatureFrictionPendulumSystem,VCFPS),并提出考慮局部彎矩影響并可直接運(yùn)用到二維或三維分析的有限元模型。吳政彥對(duì)錐形摩擦單擺支座(ConicalFrictionPendulumIsolator,CFPI)和變頻式摩擦單擺支座(VFPI)兩類變曲率隔震支座進(jìn)行了研究。其中,CFPI支座的滑動(dòng)面在某一臨界位移范圍內(nèi)與FPS相同,具有固定的曲率半徑,然而,一旦支座滑動(dòng)位移量超過此臨界位移時(shí),其滑動(dòng)面即變成一固定斜率的斜面,隔震周期即變成無(wú)限大,亦即無(wú)共振周期;VFPI支座則采用Pranesh和Shiha所建議的曲面函數(shù)。推導(dǎo)了通用的變曲率支座的力學(xué)模型,探討了其最佳設(shè)計(jì)參數(shù),并進(jìn)行了測(cè)試。由于該類支座的隔震頻率為變量,即曲率是隔震器位移的一個(gè)多項(xiàng)式函數(shù),盧煉元等將其稱之為多項(xiàng)式摩擦擺隔震器(PolynomialFrictionPendulumIsolator,PFPI),為確定多項(xiàng)式函數(shù)的最優(yōu)值,進(jìn)行了支座高度和等效摩擦系數(shù)等參數(shù)研究,并做了支座的往復(fù)試驗(yàn)[52~54]。它的滯回環(huán)具有不同功能的軟化與硬化區(qū)段,其中軟化段用以降低結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng),而硬化段則用以抑制隔震器在近斷層地震波中所可能產(chǎn)生的巨大位移量。江子政提出了變摩擦單擺隔震器,其關(guān)鍵在于滑動(dòng)曲面的摩擦系數(shù)通過不同的拋光程度使盤面在較大位移時(shí)具有較高的摩擦系數(shù),因此,針對(duì)隔震結(jié)構(gòu)在承受近斷層及長(zhǎng)周期地震時(shí)可借由外盤面較高的摩擦阻尼機(jī)制消散集中在隔震器的地震能量,以達(dá)到降低隔震位移量的最終目的,并通過對(duì)Constantinou提出的摩擦系數(shù)模型進(jìn)行修正,獲得該隔震器的摩擦系數(shù),進(jìn)而推導(dǎo)出該隔震器的力學(xué)模型。2.3年生時(shí)期仿真試驗(yàn)早在2001年,Hyakuda等對(duì)日本一個(gè)雙凹摩擦擺(DoubleConcaveFrictionPendulum,DCFP)隔震建筑的地震反應(yīng)進(jìn)行了研究。蔡崇興等人研發(fā)了類似的隔震系統(tǒng),并將其稱為摩擦復(fù)擺隔震器(MultipleFrictionPendulumSystem,MFPS),該隔震器的各項(xiàng)基本特性均與FPS相同,唯一不同的是它有上、下兩個(gè)滑動(dòng)曲面,因此在計(jì)算隔震周期時(shí),單擺的擺長(zhǎng)項(xiàng)為兩個(gè)曲面曲率半徑之和。蔡崇興等進(jìn)行了一系列的理論和試驗(yàn)研究[24,56,57,58,59,60],提出了MFPS的有限元模型。另外,對(duì)足尺的MFPS進(jìn)行的壓剪試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)特氟龍材料在百噸級(jí)、甚至是千噸級(jí)高壓下,上千次循環(huán)加載后仍未磨損,多次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)后MFPS隔震性能未受到任何影響,力學(xué)性能穩(wěn)定[61~62]。Young-SukKim探索了DCFP與三線性模型的優(yōu)勢(shì)。Hyakuda和蔡崇興等人都只局限于同曲率半徑和同摩擦系數(shù)的DCFP的研究,Constantinou和Fenz則對(duì)DCFP提出了一個(gè)更廣泛的描述,研究了兩個(gè)凹表面曲率半徑和摩擦系數(shù)不相等的情況,提出了基于平衡考慮的恢復(fù)力模型,并通過對(duì)同曲率和摩擦系數(shù)以及變曲率變摩擦的支座進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,最后指出DCFP支座分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題[64~65]。2.4重?cái)[隔震支柱Morgan提出了多級(jí)摩擦擺隔震器(Multi-StageFrictionPendulumIsolators),并對(duì)其性能進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)它能夠在不同的反應(yīng)階段逐步展現(xiàn)不同的滯回性能。這種新開發(fā)的三擺隔震器包括4個(gè)凹表面和3個(gè)獨(dú)立的鐘擺機(jī)制,如圖2所示。通過選擇球面半徑和滑塊高度等幾何量及每個(gè)凹面摩擦系數(shù)的規(guī)格,擺動(dòng)的階段可設(shè)置為表示相對(duì)應(yīng)的各級(jí)地震反應(yīng)[66~68]。Fenz研發(fā)并介紹了三重摩擦擺隔震支座(TripleFrictionPendulumBearing,TFPB)的工作原理,雖然該支座是完全的被動(dòng)裝置,但表現(xiàn)出自適應(yīng)的剛度和阻尼,即剛度和阻尼在一個(gè)可計(jì)算的和可控制的位移幅值下變化。這種自適應(yīng)性能的主要優(yōu)勢(shì),能夠提供一個(gè)可根據(jù)多級(jí)性能目標(biāo)和多級(jí)地震動(dòng)優(yōu)化的隔震系統(tǒng)。隨著滑移面的改變,剛度和有效摩擦也相應(yīng)改變。在此基本原理的基礎(chǔ)上得到了其恢復(fù)力模型和相關(guān)參數(shù)。研究結(jié)果表明:如果設(shè)計(jì)合理,這些支座提供的剛度和阻尼會(huì)隨著逐漸增加的位移理想變化。鑒于目前結(jié)構(gòu)分析軟件中并沒有可精確模擬三重摩擦擺隔震器的滯回準(zhǔn)則和非線性單元,Fenz和Constantinou對(duì)現(xiàn)有的非線性單元組成的系列模型進(jìn)行了修正以精確的模擬它的力-位移行為。此外,他們對(duì)三重摩擦擺隔震支座進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分別測(cè)試了不同摩擦和位移能力的支座。大多數(shù)試驗(yàn)在低速下進(jìn)行,但也進(jìn)行了一些高速測(cè)試(達(dá)到約400mm/s)來(lái)檢測(cè)動(dòng)力情況下的性能。由于該隔震器分別具有3種極限位移能力,經(jīng)合理的設(shè)計(jì)可恰與“三水準(zhǔn)”設(shè)計(jì)地震水平相適應(yīng),陳永祁等將其稱之為“三水準(zhǔn)”型摩擦擺裝置,十分的形象和貼切。3摩擦后的溝法3.1tfps的模型蔡崇興等提出名為溝槽摩擦擺隔震器(TrenchFrictionPendulumSystems,TFPS)的新型隔震系統(tǒng),并對(duì)TFPS的力學(xué)特性進(jìn)行了研究[73~76]。TFPS在構(gòu)造上是由兩個(gè)溝槽式滑動(dòng)曲面及一個(gè)四方體型的關(guān)節(jié)式滑動(dòng)器組成,而在上下滑動(dòng)盤面順滑動(dòng)方向是以正交方式重迭而成,如圖3所示。為了有效地掌握隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性反應(yīng),提出了TFPS的有限元模型,經(jīng)理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較顯示,該模型能非常有效地模擬TFPS在地震作用下的動(dòng)態(tài)反應(yīng),具有較高精度。該隔震器可在任何兩個(gè)獨(dú)立的方向提供不同的周期、位移能力和阻尼。因此可對(duì)它從兩個(gè)方向進(jìn)行優(yōu)化,特別是對(duì)擁有固有頻率在兩個(gè)方向差異很大的結(jié)構(gòu)。李至彬?qū)FPS的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹,并針對(duì)性地提出了注意事項(xiàng)。3.2mtfps系統(tǒng)為了進(jìn)一步加強(qiáng)TFPS的功能,蔡崇興等提出了溝槽式摩擦復(fù)擺系統(tǒng)(MultipleTrenchFrictionPendulumSystem,MTFPS),如圖4所示。該MTFPS隔震器的實(shí)質(zhì)是多個(gè)TFPS在各正交方向上串聯(lián)組成,同樣地,其獨(dú)立的兩方向上能提供不同的曲率半徑(隔震周期)、位移能力和摩擦系數(shù)等。3.3抗起落架擺隔震器由于摩擦擺隔震器是以接觸為基礎(chǔ)的,因此不能抵抗拉伸。由于缺乏一個(gè)隆起的抑制設(shè)備,它可能導(dǎo)致FP支座隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)顯著增加。為此,Zayas等提出一個(gè)帶有限制隆起裝置的摩擦擺系統(tǒng),已應(yīng)用于加利福尼亞的一個(gè)水箱的隔震。Roussis和Constantinou研發(fā)了一個(gè)新型的抗隆起摩擦擺隔震器,由于兩個(gè)滑動(dòng)方向?yàn)檎环较?故取名為XY-FP。介紹了XY-FP隔震器的工作原理和數(shù)值模型,通過隔震器測(cè)試闡述了其力學(xué)性能。該XY-FP支座可由兩個(gè)解耦的正交方向的單向FP支座模擬,在3D-BASIS-ME中添加了該隔震器的新單元,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[80~84]。SampsonHuang等也研發(fā)了一種新型抗拉伸FP隔震器,可以允許拉力和剪力同時(shí)通過隔震器傳遞。Kasalanati和Constantinou提出一個(gè)隆起的預(yù)防機(jī)制,即在隔震器上施加足夠預(yù)壓力。為摩擦擺隔震器提出了預(yù)應(yīng)力隔震器簡(jiǎn)化理論,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合,施加預(yù)應(yīng)力增加了軸向荷載,防止了隆起現(xiàn)象。另外,預(yù)應(yīng)力也增加了側(cè)向剛度。雖然附加的軸向荷載會(huì)影響彈性支座的性能,但影響較小。圖5所示為典型的抗隆起(拉伸)摩擦擺隔震器。4do-fps動(dòng)力學(xué)為了克服一般基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)極易受近斷層長(zhǎng)周期脈沖地震波影響而可能發(fā)生共振這一缺點(diǎn),蔡崇興等人提出一種名為方向優(yōu)化的摩擦單擺隔震器(Direction-OptimizedFrictionPendulumSystem,DO-FPS)[87~91],該隔震器的關(guān)節(jié)式滑動(dòng)