摩擦摆隔震支座的开发与研究进展

摩擦摆隔震支座的开发与研究进展

1滑移装置的改进目前，工程上最常用的振动除震器（部件）可根据其振动分离原理和特性，分为：弹簧分离（橡胶分离）、滑动分离和混合分离地震分支。摩擦滑移隔震是开发应用最早的隔震技术之一,但是由于摩擦滑移隔震装置通常由隔离地震的摩擦滑动机构和限位复位的阻尼向心机构组成,而传统的平面滑移系统不能自动复位,一般需加设另外的复位系统,且滑动性能离散性大、不易控制。滑移量过大,有时可能导致穿越隔震层的非结构构件破坏,甚至可能发生滑移失稳,这极大地阻碍了滑移隔震的发展。为了解决传统平面滑移系统不能自动复位这个问题,Zayas等人对其进行了改进,于1985年在美国加州大学伯克利分校研发了摩擦摆隔震装置[1~3],称之为摩擦摆系统/支座(FrictionPendulumSystem/Bearing,简称FPS/FPB)。它除了具有平面滑移隔震装置对地震激励频率范围低敏感性和高稳定性等特性外[4~6],特有的圆弧滑动面使其具有自复位功能,无需附设阻尼向心机构,使其在实际应用中更为简便,增加了隔震装置的可靠度。经过20余年的发展,已研制出10余种摩擦摆隔震支座,并已在大量工程中得到应用,成为一种具有广阔发展前景的隔震支座。本文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3类,并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。2摩擦损失表的表面2.1摆隔震装置的试验研究目前为止,众多学者对摩擦摆隔震系统进行了研究,在最初Zayas提出的FPS/FPB的基础上研发了许多具有新的构造形式的摩擦摆隔震支座(器),但它们的构造或工作原理均可由FPB演变或延伸得到。故在此,对Zayas等人提出的FPB的基本构造和特征做以简单介绍。摩擦摆隔震系统的滑块中有一关节,它使滑块在其沿滑道滑动时保持水平。滑道与滑块滑动面具有相同的曲率半径且涂有低摩擦材料,如聚四氟乙烯(特氟龙)等。当地震作用超过静摩擦力时,摩擦摆支座通过球形滑动面的运动使上部结构发生单摆运动,支座的水平力为滑动面摩擦力和上部结构沿滑道上升产生的恢复力的合力。隔震系统的周期和刚度可通过选取合适的曲率半径来控制,阻尼由动摩擦系数来控制。图1所示为摩擦摆隔震支座的截面图,其中,滑动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层间隔震。摩擦摆隔震支座提供的恢复力使支座能依靠其承托的重力往中心位置回复,使地震响应得到控制。并且该支座的刚度中心存在自动与隔震结构的质心重合的趋势,因而能在一定程度上消除结构的扭转运动。摩擦摆隔震支座的周期、竖向承载力、阻尼比、侧向位移和抗拉力等指标可以进行单独控制,十分便于设计人员对隔震系统进行优化设计。加州大学地震工程研究中心(EERC)、美国国家地震工程研究中心(NCEER)和加州大学圣地亚哥分校(UCSD)等科研机构对摩擦摆支座进行了大量试验,结果表明,摩擦摆隔震支座具有稳定的滞回性能和优异的耐久性。Zayas等人对摩擦摆支座在温度、时间、热运动等影响因素下进行了测试,试验证明了其在动力测试下的有效性和可预测性;其高抗压性和稳定性可以防止支座过载,提供可靠的安全机制[8~9]。Constantinou和Mokha等人就滑道内衬特氟龙材料的摩擦摆的耐久性和可靠性进行了大量的理论和试验研究[4,6,10,11,12,13,14]。通过试验发现,支座的摩擦系数不仅与接触面的材料特性有关,还与接触面的压强、滑动速度等有关;并且研究了运动历史和持续加载的影响,试验结果表明:初始起滑摩擦系数比动摩擦系数要大,且承受长期荷载后仍能保持稳定;滑动摩擦系数始终维持在一个较低的值,非常适用于基础隔震。此外,Constantinou等人就近断层下FPB滑块的高速滑移和抗拉能力进行了试验研究[15~16]。Seible分别对奥克兰海湾大桥加固工程、土耳其博卢高架桥工程和田纳西交通管理局的I-40工程等工程中的摩擦摆支座进行了高速压剪试验。Fenz、Kousaka、Hyakuda、郭品宏和江子政等人通过试验研究了压应力、滑动速度、温度、持久反复测试等对摩擦摆隔震支座摩擦系数的影响,试验反映了支座在长期动态加载下的稳定性能及PTFE卓越的耐磨损性能。曾旭玟对采用乙烯纶的摩擦(单)摆隔震支座进行了一系列的力学性能试验,验证了其具有稳定的低摩擦系数和良好的抗磨损能力。WenyingHu研究指出,将隔震器的力-位移关系视为线性这一假定既适用于如弹性橡胶支座的线性装置,又适用于诸如铅芯橡胶支座和摩擦摆隔震支座的非线性装置,但后者则是通过等效线性化来实现。Nagarajaiah,Constantinou和Reinhorn等将摩擦摆支座用非线性连接单元模拟,编制了计算程序,并将其嵌入到SAP2000和3D-Basis等通用程序中,该程序能计算双向地震下摩擦摆隔震结构的反应。Abrahamson等开发了常系数与变系数的摩擦摆支座单元,该单元以点点接触单元模拟,考虑了摩擦对速度和压力的依赖性以及竖直和水平向的耦合效应,而后通过试验进行了验证。王建强和李大望等人提出了可模拟摩擦摆系统双向耦合效应的双向耦合力模型,并通过与单向恢复力模型的模拟对比验证了该模型的准确性[30~32]。焦驰宇等研究了Bouc-Wen模型和考虑动轴力与双向耦合的FPS分析模型。研究表明:对规则桥梁的非线性时程分析而言,采用Bouc-Wen模型是合理的,并针对性地提出了抗震设计中FPS计算模型、设计参数选择应遵循的原则。等效线性化模型和非线性连接元模型由理论和试验研究得到,通常是基于小变形,并假定滑块对滑道正压力在滑块的运动中是不变的,而且无法考虑竖向地震动的影响。Almazán等通过研究发现小变形假定可能导致在脉冲型运动情况下,整体反应量相对于实际反应的差异达到30%;隔震器法向力则达50%。因此,为了精确评价结构和隔震器的反应,考虑大变形和隆起时的情形,Almazán等建立了能精确模拟FPS包括真实大变形(P-Δ效应)、粘滑、隆起、正压力变化以及水平与竖向震动耦合效应等行为的模型[35~37]。针对FPS的高度非线性,MuratEr9z提出一种可考虑法向力和摩擦系数变化、大变形以及平面和纵向耦合效应的模型,并通过试验加以验证[38~40]。Ingham介绍了模拟摩擦摆支座使用的接触面模型,该模型采用球形接触段网格划分,研究发现接触面模型可精确模拟结构的倾覆和垂直地面运动的反应;Chaudhary证实了该模型的正确性,另外该模型还能模拟双向耦合的摩擦力。此外,Dimizas等提出了FPS模型参数识别的一个非线性优化方法,并通过数值模拟和试验进行了验证。2.2单摆合成无共振约束连续结构为了克服普通摩擦型隔震系统只针对一定的激励和结构特点才是有效的这一缺陷,Praneshl和Sinha研发出一个称为变频摆隔震器(VariableFrequencyPendulumIsolator,VFPI)的新型隔震系统[45~46]。VFPI提供了一个恢复力软化机制以限制传给结构的最大力,并且随着横向滑动位移增加,其隔震周期不断延长,对不同的结构和激励特性都是非常有效的,可克服近断层低频共振的问题[47~49]。蔡崇兴等自行研发了变曲率摩擦单摆隔震器(VariableCurvatureFrictionPendulumSystem,VCFPS),并提出考虑局部弯矩影响并可直接运用到二维或三维分析的有限元模型。吴政彦对锥形摩擦单摆支座(ConicalFrictionPendulumIsolator,CFPI)和变频式摩擦单摆支座(VFPI)两类变曲率隔震支座进行了研究。其中,CFPI支座的滑动面在某一临界位移范围内与FPS相同,具有固定的曲率半径,然而,一旦支座滑动位移量超过此临界位移时,其滑动面即变成一固定斜率的斜面,隔震周期即变成无限大,亦即无共振周期;VFPI支座则采用Pranesh和Shiha所建议的曲面函数。推导了通用的变曲率支座的力学模型,探讨了其最佳设计参数,并进行了测试。由于该类支座的隔震频率为变量,即曲率是隔震器位移的一个多项式函数,卢炼元等将其称之为多项式摩擦摆隔震器(PolynomialFrictionPendulumIsolator,PFPI),为确定多项式函数的最优值,进行了支座高度和等效摩擦系数等参数研究,并做了支座的往复试验[52~54]。它的滞回环具有不同功能的软化与硬化区段,其中软化段用以降低结构的加速度反应,而硬化段则用以抑制隔震器在近断层地震波中所可能产生的巨大位移量。江子政提出了变摩擦单摆隔震器,其关键在于滑动曲面的摩擦系数通过不同的抛光程度使盘面在较大位移时具有较高的摩擦系数,因此,针对隔震结构在承受近断层及长周期地震时可借由外盘面较高的摩擦阻尼机制消散集中在隔震器的地震能量,以达到降低隔震位移量的最终目的,并通过对Constantinou提出的摩擦系数模型进行修正,获得该隔震器的摩擦系数,进而推导出该隔震器的力学模型。2.3年生时期仿真试验早在2001年,Hyakuda等对日本一个双凹摩擦摆(DoubleConcaveFrictionPendulum,DCFP)隔震建筑的地震反应进行了研究。蔡崇兴等人研发了类似的隔震系统,并将其称为摩擦复摆隔震器(MultipleFrictionPendulumSystem,MFPS),该隔震器的各项基本特性均与FPS相同,唯一不同的是它有上、下两个滑动曲面,因此在计算隔震周期时,单摆的摆长项为两个曲面曲率半径之和。蔡崇兴等进行了一系列的理论和试验研究[24,56,57,58,59,60],提出了MFPS的有限元模型。另外,对足尺的MFPS进行的压剪试验中发现特氟龙材料在百吨级、甚至是千吨级高压下,上千次循环加载后仍未磨损,多次振动台试验后MFPS隔震性能未受到任何影响,力学性能稳定[61~62]。Young-SukKim探索了DCFP与三线性模型的优势。Hyakuda和蔡崇兴等人都只局限于同曲率半径和同摩擦系数的DCFP的研究,Constantinou和Fenz则对DCFP提出了一个更广泛的描述,研究了两个凹表面曲率半径和摩擦系数不相等的情况,提出了基于平衡考虑的恢复力模型,并通过对同曲率和摩擦系数以及变曲率变摩擦的支座进行试验验证,最后指出DCFP支座分析和设计中应考虑的问题[64~65]。2.4重摆隔震支柱Morgan提出了多级摩擦摆隔震器(Multi-StageFrictionPendulumIsolators),并对其性能进行了试验与数值模拟研究,发现它能够在不同的反应阶段逐步展现不同的滞回性能。这种新开发的三摆隔震器包括4个凹表面和3个独立的钟摆机制,如图2所示。通过选择球面半径和滑块高度等几何量及每个凹面摩擦系数的规格,摆动的阶段可设置为表示相对应的各级地震反应[66~68]。Fenz研发并介绍了三重摩擦摆隔震支座(TripleFrictionPendulumBearing,TFPB)的工作原理,虽然该支座是完全的被动装置,但表现出自适应的刚度和阻尼,即刚度和阻尼在一个可计算的和可控制的位移幅值下变化。这种自适应性能的主要优势,能够提供一个可根据多级性能目标和多级地震动优化的隔震系统。随着滑移面的改变,刚度和有效摩擦也相应改变。在此基本原理的基础上得到了其恢复力模型和相关参数。研究结果表明:如果设计合理,这些支座提供的刚度和阻尼会随着逐渐增加的位移理想变化。鉴于目前结构分析软件中并没有可精确模拟三重摩擦摆隔震器的滞回准则和非线性单元,Fenz和Constantinou对现有的非线性单元组成的系列模型进行了修正以精确的模拟它的力-位移行为。此外,他们对三重摩擦摆隔震支座进行了试验研究,分别测试了不同摩擦和位移能力的支座。大多数试验在低速下进行,但也进行了一些高速测试(达到约400mm/s)来检测动力情况下的性能。由于该隔震器分别具有3种极限位移能力,经合理的设计可恰与“三水准”设计地震水平相适应,陈永祁等将其称之为“三水准”型摩擦摆装置,十分的形象和贴切。3摩擦后的沟法3.1tfps的模型蔡崇兴等提出名为沟槽摩擦摆隔震器(TrenchFrictionPendulumSystems,TFPS)的新型隔震系统,并对TFPS的力学特性进行了研究[73~76]。TFPS在构造上是由两个沟槽式滑动曲面及一个四方体型的关节式滑动器组成,而在上下滑动盘面顺滑动方向是以正交方式重迭而成,如图3所示。为了有效地掌握隔震结构在地震作用下的非线性反应,提出了TFPS的有限元模型,经理论模拟与实验结果比较显示,该模型能非常有效地模拟TFPS在地震作用下的动态反应,具有较高精度。该隔震器可在任何两个独立的方向提供不同的周期、位移能力和阻尼。因此可对它从两个方向进行优化,特别是对拥有固有频率在两个方向差异很大的结构。李至彬对TFPS的设计流程进行了较为详细的介绍,并针对性地提出了注意事项。3.2mtfps系统为了进一步加强TFPS的功能,蔡崇兴等提出了沟槽式摩擦复摆系统(MultipleTrenchFrictionPendulumSystem,MTFPS),如图4所示。该MTFPS隔震器的实质是多个TFPS在各正交方向上串联组成,同样地,其独立的两方向上能提供不同的曲率半径(隔震周期)、位移能力和摩擦系数等。3.3抗起落架摆隔震器由于摩擦摆隔震器是以接触为基础的,因此不能抵抗拉伸。由于缺乏一个隆起的抑制设备,它可能导致FP支座隔震结构的反应显着增加。为此,Zayas等提出一个带有限制隆起装置的摩擦摆系统,已应用于加利福尼亚的一个水箱的隔震。Roussis和Constantinou研发了一个新型的抗隆起摩擦摆隔震器,由于两个滑动方向为正交方向,故取名为XY-FP。介绍了XY-FP隔震器的工作原理和数值模型,通过隔震器测试阐述了其力学性能。该XY-FP支座可由两个解耦的正交方向的单向FP支座模拟,在3D-BASIS-ME中添加了该隔震器的新单元,并通过试验进行了验证[80~84]。SampsonHuang等也研发了一种新型抗拉伸FP隔震器,可以允许拉力和剪力同时通过隔震器传递。Kasalanati和Constantinou提出一个隆起的预防机制,即在隔震器上施加足够预压力。为摩擦摆隔震器提出了预应力隔震器简化理论,并进行了试验研究。试验结果与理论分析吻合,施加预应力增加了轴向荷载,防止了隆起现象。另外,预应力也增加了侧向刚度。虽然附加的轴向荷载会影响弹性支座的性能,但影响较小。图5所示为典型的抗隆起(拉伸)摩擦摆隔震器。4do-fps动力学为了克服一般基础隔震结构极易受近断层长周期脉冲地震波影响而可能发生共振这一缺点,蔡崇兴等人提出一种名为方向优化的摩擦单摆隔震器(Direction-OptimizedFrictionPendulumSystem,DO-FPS)[87~91],该隔震器的关节式滑动