摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析與試驗(yàn)研究進(jìn)展

摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析與試驗(yàn)研究進(jìn)展

1隔震槽結(jié)構(gòu)的能機(jī)制由于地震激勵(lì)頻率范圍的低敏感性和高穩(wěn)定性，地震自由位置的自由位置、位移能力、良好的振動(dòng)分離和消能機(jī)制等綜合能力，摩擦軸逐漸成為一個(gè)開發(fā)潛力模型。本文回顧了各類摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析和試驗(yàn)研究進(jìn)展,介紹了摩擦擺隔震技術(shù)的應(yīng)用概況和典型工程,分析了摩擦擺隔震技術(shù)研究與應(yīng)用中存在的問(wèn)題,提出了今后迫切需要解決的若干問(wèn)題,希望為摩擦擺隔震技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展起到推動(dòng)和促進(jìn)作用。2摩擦底板和厚地震結(jié)構(gòu)的研究2.1摩擦軸的形狀和結(jié)構(gòu)的研究2.1.1fps結(jié)構(gòu)體系的隔震性能Luciana、Nikolay、Mokha等人對(duì)摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果顯示摩擦擺隔震系統(tǒng)能有效地改善結(jié)構(gòu)性能,最大加速度和傳遞的剪力相對(duì)于非隔震時(shí)明顯減小。Hyakuda等人對(duì)一個(gè)摩擦擺隔震建筑進(jìn)行仿真分析,并與實(shí)際地震下的觀察記錄對(duì)比,結(jié)果極其吻合,驗(yàn)證了其隔震效果。李大望、石志曉、胡燦陽(yáng)、姜婷、鄭登清等人基于摩擦擺(FPS)隔震剪切型結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)微分方程,對(duì)FPS隔震體系的振動(dòng)性態(tài)和地震反應(yīng)進(jìn)行了研究,得到了FPS隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜規(guī)律。薛素鐸、孟丹鳳、饒建兵、鄒宏德、藤田聡和蔡崇興等分別將摩擦擺支座用于單層球面網(wǎng)殼、飛機(jī)維修庫(kù)、巨型框架、木結(jié)構(gòu)等各結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了減震分析。田力等針對(duì)地下隧道內(nèi)意外爆炸所引起的地下爆炸波的沖擊作用,考慮了土與橋墩基礎(chǔ)以及橋臺(tái)之間的動(dòng)力相互作用,對(duì)帶有摩擦擺支座的隔震連續(xù)梁橋進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析。王彥博、高志宏等人就FPB用于橋梁隔震進(jìn)行了分析和探討。Clarke介紹了薩哈林島項(xiàng)目中采用FPB系統(tǒng)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的近海平臺(tái),并通過(guò)建模分析驗(yàn)證了其隔震效果。Saadeghvaziri等在臺(tái)灣的國(guó)家地震工程研究中心(NCREE)進(jìn)行了FPS支座隔震變壓器一系列的測(cè)試之后,對(duì)應(yīng)用FPS的變電站變壓器進(jìn)行了有限元分析,以評(píng)估其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響;Ashrafi采用ADINA做了類似分析,研究表明,FPS在任意頻率下都能非常有效地減輕套管和變壓器的地震反應(yīng),降低了基底剪力,當(dāng)FPS的曲率半徑選取合適時(shí),可以在造價(jià)與隔震效果之間達(dá)到一個(gè)可觀的平衡。Zayas等利用有限元軟件分析了FPS隔震儲(chǔ)槽的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。李大望等基于系統(tǒng)耦合振動(dòng)微分方程,通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了摩擦擺隔震設(shè)備的響應(yīng)規(guī)律和隔震效果。Luciana、Gordon、Torunbaki、Er9z、Saha、林沛堯、潘家義、林哲毅等對(duì)摩擦擺系統(tǒng)(FPS)、鉛芯橡膠支座(LRB)等隔震系統(tǒng)于結(jié)構(gòu)(或橋梁)的隔震效果進(jìn)行對(duì)比分析,研究結(jié)果顯示,FPS隔震系統(tǒng)能有效地降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),相對(duì)于LRB基底剪力和隔震器位移均較小。對(duì)于遭受Koceli7.4級(jí)地震的土耳其新國(guó)際機(jī)場(chǎng)采用摩擦擺隔震器抗震加固,與彈性支座相比,沒(méi)有任何的P-Δ效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩傳遞給桁架支撐,極大地節(jié)約了建設(shè)成本。此外,Dicleli[37~40]、Monique、Ingham、Mutobe和Er9z對(duì)橋梁采用摩擦擺支座進(jìn)行抗震加固的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn)FPB能有效地減輕地震作用,且加固成本低于傳統(tǒng)加固。Dicleli、Leblouba、Husfeld對(duì)摩擦擺、橡膠隔震支座和摩擦擺混合隔震系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明:混合隔震系統(tǒng)不僅能控制隔震支座位移幅值,而且給結(jié)構(gòu)提供足夠長(zhǎng)的基本周期從而使受到的地震力很小且分布均勻,可達(dá)到更為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。Cardone等提出了一種用以評(píng)價(jià)隔震建筑線性靜力分析(LSA)的精確側(cè)向力分布,采用該側(cè)向力分布對(duì)摩擦擺支座、鉛芯橡膠支座等5個(gè)隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了線性時(shí)程分析,結(jié)果表明,采用該分布可大大改進(jìn)LSA的精確性。附加阻尼裝置是目前為強(qiáng)地震動(dòng)下減小隔震器位移的方式之一,但卻可能會(huì)增加上部結(jié)構(gòu)變形和絕對(duì)加速度等反應(yīng),從而可能影響基礎(chǔ)隔震的效果。Providakis、Madden、Wongprasert等人對(duì)采用摩擦擺隔震支座附加自適應(yīng)液體阻尼器的智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的隔震效果進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明,加設(shè)的可變液體粘滯阻尼器提供附加阻尼,使基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)實(shí)時(shí)地自我調(diào)制,在限制上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)的同時(shí),使隔震系統(tǒng)位移得到有效控制。另外,Providakis還指出為了避免遠(yuǎn)域地震波激勵(lì)下的部分反應(yīng)的增加,附加阻尼宜控制在20%以內(nèi)。任萬(wàn)鈞、王欲盛、陳暉欽分別對(duì)摩擦擺支座加設(shè)增效式阻尼裝置、加勁阻尼裝置以及加勁阻尼器與線性液體阻尼器組合的混合減震系統(tǒng)對(duì)提升橋梁減震能力的效果進(jìn)行了研究。S.B.Kim、H.S.Kim和Roschke利用遺傳算法對(duì)摩擦擺隔震器和磁流變阻尼器組成的智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論和數(shù)值模擬,結(jié)果表明,混合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)隔震效果優(yōu)異,且驗(yàn)證了神經(jīng)模糊模型的合理性。葉德欽分別探討了用調(diào)和質(zhì)量阻尼器(被動(dòng)控制)及質(zhì)量制動(dòng)器(主動(dòng)控制)抑制上部結(jié)構(gòu)位移來(lái)增進(jìn)FPS的實(shí)用性。Jangid在研究橋梁地震激勵(lì)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程中研究了系統(tǒng)參數(shù)(如FPS隔震周期、頻率和地震的強(qiáng)度等)對(duì)FPS最佳摩擦系數(shù)的影響。Er9z重點(diǎn)研究了FPS隔震橋梁的地震響應(yīng),并做了設(shè)計(jì)參數(shù)研究。MutluOzer對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析,研究了隔震柔性結(jié)構(gòu)的基本周期和它的質(zhì)量分率之間的函數(shù)關(guān)系,得出了質(zhì)量分率方程。Garevski研究了不同摩擦系數(shù)的FPS隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)一個(gè)小的變化會(huì)對(duì)地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)反應(yīng)產(chǎn)生顯著性的影響。莊鵬等人通過(guò)數(shù)值模擬研究了摩擦擺系統(tǒng)對(duì)一個(gè)剪切型結(jié)構(gòu)的隔震效果,并考察變摩擦系數(shù)計(jì)算模型中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。分析表明,采用滑動(dòng)摩擦系數(shù)為常數(shù)的庫(kù)倫模型研究FPS的控震規(guī)律一般仍具有較高的計(jì)算精度。巫煒、郭宏鑫、饒建兵、鄒宏德、王興國(guó)、解詠平、劉衛(wèi)然、趙偉等人分析了滑道半徑、摩擦系數(shù)等對(duì)隔震效果的影響,分析表明,摩擦系數(shù)較小、曲率半徑較大的摩擦單擺支座提升樓房抗震能力較佳。Heato和張婉妮指出近震源地震作用下,沿?cái)鄬悠屏逊较蛴幸粋€(gè)長(zhǎng)周期及很強(qiáng)的速度與位移脈沖,滑動(dòng)隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)最大位移與上部結(jié)構(gòu)最大加速度有放大的現(xiàn)象,這將危及工程結(jié)構(gòu)的安全,隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)格外注意。林建宏利用狀態(tài)空間法與二元系統(tǒng)的分析技巧,對(duì)摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)于近、遠(yuǎn)域地震作用下進(jìn)行了研究,二者的基礎(chǔ)加速度反應(yīng)比較接近,但位移及速度反應(yīng),近斷層較遠(yuǎn)域地震分別高達(dá)10倍和3倍以上。因此,研究摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)于近斷層的地震反應(yīng)至關(guān)重要。此外,Jangid研究了近斷層地震作用下的FPS隔震性能及FPS的優(yōu)化問(wèn)題,得出FPS的最佳摩擦系數(shù)介于0.05至0.15之間。Mosqueda等對(duì)多重激勵(lì)下采用摩擦擺支座的隔震縮尺鋼橋模型進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,研究表明:兩個(gè)正交分量之間的耦合對(duì)于FP支座性能影響較大,豎向地震動(dòng)分量對(duì)FP隔震橋梁的反應(yīng)有很小的影響。該研究雖是針對(duì)橋梁,但結(jié)論同樣適用于建筑結(jié)構(gòu)。李大望等建立了FPS隔震多層剪切型結(jié)構(gòu)水平和豎向耦合振動(dòng)微分方程,通過(guò)時(shí)程響應(yīng)計(jì)算闡述了水平地震作用下FPS的隔震效果和結(jié)構(gòu)的水平和豎向振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。王建強(qiáng)等對(duì)單向和雙向地震作用下的摩擦擺基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究。雖然上部結(jié)構(gòu)的層間位移下降,但隔震支座的最大位移在雙向地震作用下遠(yuǎn)大于單向輸入。因此,雙向地震動(dòng)影響基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和隔震支座的性能,在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮[82~84]。此外,Shrimali研究了FPS隔震高架圓柱液體儲(chǔ)存罐在雙向激勵(lì)下的地震反應(yīng)。巫煒對(duì)某多層框架結(jié)構(gòu)和某連續(xù)梁橋分析了豎向地震激勵(lì)對(duì)摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)地震和近斷層地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)和支座地震反應(yīng)的影響。王興國(guó)等對(duì)單層FPS隔震結(jié)構(gòu)的平移-扭轉(zhuǎn)耦合性能進(jìn)行了研究,對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)不同偏心對(duì)地震反應(yīng)的影響。由于結(jié)構(gòu)傾覆可能會(huì)引起FPS隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生意外扭轉(zhuǎn),Almazán和JuanC.delaLlera對(duì)此進(jìn)行了地震響應(yīng)分析,研究發(fā)現(xiàn),盡管基礎(chǔ)的扭轉(zhuǎn)幅值很小,可以忽略,但層間位移的變化幅值卻可能達(dá)到50%,建議在設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮;且通過(guò)對(duì)一個(gè)采用FPS隔震的質(zhì)量不對(duì)稱的3層結(jié)構(gòu)模型的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)FPS能夠通過(guò)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與隔震系統(tǒng)的擺動(dòng)和摩擦力的中心相對(duì)應(yīng),非常有效地控制非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的橫向扭轉(zhuǎn)。許宏旭對(duì)一個(gè)使用球面摩擦隔震器隔震和非隔震的兩跨3層鋼構(gòu)架進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,并做了對(duì)比分析,驗(yàn)證了不對(duì)稱結(jié)構(gòu)在安裝球面摩擦隔震器后隔震層無(wú)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。Sevket使用Fortran語(yǔ)言編程模擬FPS的行為并將其納入SVEM軟件,分析了FPS隔震與非隔震橋梁受多維地震動(dòng)時(shí)的隨機(jī)反應(yīng)。Jangid將FPS的非線性力-變形行為等效線性化后模擬了隔震橋梁地震激勵(lì)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。李大望等以FPS的微幅振動(dòng)方程為基礎(chǔ),分別運(yùn)用等效非線性系統(tǒng)法和等效線性化方法預(yù)測(cè)了FPS系統(tǒng)對(duì)高斯白噪聲激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)隨機(jī)響應(yīng)。岡村茂樹和藤田聡采用蒙特卡洛方法研究了摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)在地震下的隨機(jī)反應(yīng)[93~96]。鑒于FPS隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)控制方程中的非線性三角函數(shù)項(xiàng)使得隔震結(jié)構(gòu)分析極其復(fù)雜,MutluOzer提出了一個(gè)線性二階常微分方程作為FPS隔震結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制方程,并進(jìn)行了Matlab的數(shù)字參數(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。CaliòIvo通過(guò)使用適當(dāng)?shù)睦窭嗜諈?shù)簡(jiǎn)化非線性運(yùn)動(dòng)方程,研究了多層建筑摩擦擺系統(tǒng)基礎(chǔ)隔震的地震行為。結(jié)果表明,對(duì)滑動(dòng)系統(tǒng)與相應(yīng)固定基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以在頻域以反應(yīng)譜的形式進(jìn)行比較。針對(duì)FPS隔震多層剪切型結(jié)構(gòu)在水平地震作用下振動(dòng)二階微分方程組的強(qiáng)非線性,李大望等推導(dǎo)和建立了FPS隔震系統(tǒng)的多層剪切型結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的狀態(tài)方程及狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件,在此基礎(chǔ)上,采用龍格-庫(kù)塔數(shù)值法計(jì)算分析了該結(jié)構(gòu)的性態(tài)和地震響應(yīng)規(guī)律。此外,李大望等在強(qiáng)非線性自治振動(dòng)方程的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了相平面分析,闡述了FPS系統(tǒng)自治振動(dòng)的性態(tài),推出了FPS自治系統(tǒng)相軌跡的解析解。孫敏等利用S-函數(shù)建立了求解摩擦擺強(qiáng)非線性狀態(tài)方程的滑動(dòng)模塊;搭建出摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的Simulink仿真模型。Tsopelas等為FPB隔震結(jié)構(gòu)編制了非線性動(dòng)力分析程序,巫煒亦編制了非線性動(dòng)力分析程序。Wongprasert提出一個(gè)多層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的優(yōu)化控制算法。蔡崇興提出一個(gè)簡(jiǎn)化計(jì)算摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的方法,得到了用于隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的分段精確解,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有非常高的精度。廖偉信提出一種架構(gòu)于狀態(tài)空間法下的新方法,對(duì)于系統(tǒng)在停滯與滑動(dòng)狀態(tài)皆可采用相同的運(yùn)動(dòng)方程式,且經(jīng)證實(shí)比現(xiàn)存方法更具效率及精確性和一般性,因此,足以分析有多個(gè)異步運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)隔震支座。摩擦擺隔震支座和橡膠支座一樣,早已經(jīng)加入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中[106~109],讓FPS隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有章可循。Naeim等對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了較詳細(xì)的論述,包括靜力分析以及反應(yīng)譜和時(shí)程動(dòng)力分析。DonatelloCardone對(duì)隔震橋梁基于位移的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。林哲毅介紹了利用FPS對(duì)橋梁進(jìn)行抗震加固的設(shè)計(jì)流程。1987年,Zayas報(bào)告了在加州大學(xué)伯克利分校地震工程研究中心進(jìn)行的一個(gè)FPS隔震兩層鋼框架模型遭受中震和大震的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),并將試驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。Constantinou等介紹了安裝FPS隔震器的兩個(gè)鋼框架模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),在所有工況下,多層建筑模型的層剪力和層間位移減小了4~6倍,保證上部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在強(qiáng)震下保持彈性。Mokha等人則做了FPS在大高寬比建筑中應(yīng)用的可行性分析,對(duì)一個(gè)安裝FPS的6層1/4縮尺重52千磅的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。Bujar對(duì)FPS隔震房屋進(jìn)行了三維振動(dòng)臺(tái)測(cè)試并采用一個(gè)三維的非線性模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。Kravchuk對(duì)一個(gè)采用由4個(gè)摩擦擺組合,各摩擦擺之間由彈簧聯(lián)系的改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該裝置優(yōu)異的隔震效果。岡村茂樹和藤田聡等對(duì)一個(gè)裝設(shè)4個(gè)FPS的3層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),考慮了各系統(tǒng)摩擦系數(shù)的差異,上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)反應(yīng)的影響[117~123]。楊林和周錫元等人完成了我國(guó)大陸第一個(gè)運(yùn)用FPS隔震的5層框架的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);隨后又設(shè)計(jì)制作了一種摩擦擺隔震支座,完成一個(gè)6層單跨FPS隔震鋼框架的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。此外,M.Garevski、許宏旭、柯書哲、王彥博、姜婷、許煒萍等人對(duì)FPS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。研究表明,FPS能夠有效延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的自振周期,限制隔震層位移,同時(shí)具有自動(dòng)回位功能,有效減少了地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,隔震效果明顯且隨著地震波加速度幅值的增大而增強(qiáng)。Tsopelas等人首次就FPB用于橋梁隔震的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究,該試驗(yàn)采用4個(gè)動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)在0.07至0.12的摩擦擺支座(FPS)進(jìn)行隔震。試驗(yàn)結(jié)果顯示FPS隔震橋梁在各級(jí)地震激勵(lì)下維持彈性的能力大大改善。Zayas對(duì)一摩擦擺隔震橋梁進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果顯示在長(zhǎng)周期強(qiáng)震激勵(lì)下,限制支座位移可將其控制在容許范圍,但換來(lái)的代價(jià)是上部結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生更大的加速度和底部剪力。盡管如此,這些力和位移都比非隔震橋梁要小得多。S.T.Oh等對(duì)一個(gè)FPS隔震和非隔震橋梁結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬。試驗(yàn)和模擬結(jié)果非常的吻合,隔震橋梁在各工況下都顯著增加了其抵抗地震荷載的能力。加速度峰值僅為0.1g,橋墩的剪力不及非隔震橋梁的一半;豎向地震動(dòng)分量對(duì)隔震橋梁有較小的影響;支座在大量的測(cè)試后仍表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦性能。GilbertoMosqueda等對(duì)多重激勵(lì)下采用摩擦擺支座的隔震縮尺鋼橋模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Saadeghvaziri等對(duì)大型變壓器套管系統(tǒng)安裝摩擦擺隔震系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[133~134]。結(jié)果顯示:FPS系統(tǒng)相對(duì)于由滑動(dòng)和橡膠隔震支座組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)更能有效地減小慣性力,FPS可消減平均60%的加速度且其位移在控制范圍內(nèi);FPS支座存在兩水平方向的耦合反應(yīng),同時(shí)垂直分量也對(duì)其有影響。卓桂榮、鐘國(guó)懷、鄧敏政、葉雅婷和馬良喆等對(duì)FPS隔震儲(chǔ)存槽進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示,摩擦擺支座可有效降低儲(chǔ)存槽的動(dòng)力反應(yīng),且不同系統(tǒng)參數(shù)的隔震表現(xiàn)也可被精確地預(yù)測(cè)?；诩友b摩擦擺支座的隔震儲(chǔ)存槽,其動(dòng)力特性不隨其重量多寡而改變的優(yōu)點(diǎn),使得摩擦單擺支座應(yīng)用于重量變化特性的儲(chǔ)存槽比鉛芯橡膠支座更具優(yōu)勢(shì)。2.1.2在橋梁和施工中的作用Pranesh和Sinha對(duì)非隔震和采用變頻率(VFPI)隔震系統(tǒng)與FPS和純摩擦滑移隔震(PF)系統(tǒng)的隔震效果進(jìn)行了對(duì)比研究,證明所提出的VFPI相對(duì)于其它隔震系統(tǒng)有著更為優(yōu)異的性能,它能非常有效地控制結(jié)構(gòu)反應(yīng),適用范圍廣且與激勵(lì)頻率和幅值相對(duì)獨(dú)立。此外還對(duì)VFPI結(jié)構(gòu)在扭矩耦合響應(yīng)控制的有效性和遭受近斷層脈沖式地面運(yùn)動(dòng)下的性態(tài)進(jìn)行了研究,得出同樣結(jié)論:VFPI相對(duì)于FPS和PF等其它摩擦基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)更為有效,尤其是高強(qiáng)度的激勵(lì)下,顯著減少了結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。Panchal和Jangid對(duì)采用變曲率(VCFPS)和FPS的隔震橋梁的反應(yīng)做了比較,并進(jìn)行了參數(shù)化研究,分析了摩擦系數(shù)和滑動(dòng)面中心的基本周期對(duì)VCFPS隔震橋梁地震反應(yīng)的影響。研究表明:在近斷層地震動(dòng)作用下,VCFPS能相當(dāng)有效地控制橋梁地震反應(yīng)在合理幅度。他們分別分析了一個(gè)柔性的單層和多層VFPI隔震建筑在近斷層和遠(yuǎn)場(chǎng)下地震動(dòng)的抗震性能并進(jìn)行了上部結(jié)構(gòu)周期、VFPI頻率變化因子和摩擦系數(shù)等參數(shù)研究。此外,還對(duì)VCFPS液體隔震鋼儲(chǔ)存罐在近斷層地震動(dòng)下的反應(yīng)進(jìn)行了研究,并探討了儲(chǔ)存罐的寬高比、隔震起始周期等重要參數(shù)的影響。吳政彥比較了CFPI及VFPI變曲率隔震支座的動(dòng)力行為和減震效果,通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。此外,亦評(píng)估了采用粘滯阻尼與變曲率支座混合使用的隔震效果。盧煉元等對(duì)近斷層強(qiáng)震下FPS和變曲率隔震支座的隔震效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[149~151]。林建宏對(duì)比研究了CFPI、VFPI和FPS在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)地震下的反應(yīng),研究表明:在遠(yuǎn)場(chǎng)地震下各類滑動(dòng)支座皆有不錯(cuò)的表現(xiàn),但近斷層下則CFPI和VFPI的隔震效果相對(duì)更為明顯。藤田聡等對(duì)研發(fā)的變曲率摩擦擺隔震支座長(zhǎng)期使用引起的摩擦力改變從而導(dǎo)致的各個(gè)支座啟動(dòng)不同步的情況進(jìn)行了探討,并主要針對(duì)設(shè)備隔震做了響應(yīng)分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[152~157]。許文彥也對(duì)VFPI支座啟動(dòng)異步對(duì)隔震效果的影響進(jìn)行了研究。江子政為了驗(yàn)證變摩擦擺隔震器的隔震效果,對(duì)一個(gè)3層鋼構(gòu)架加裝FPS和變摩擦單擺隔震器在近斷層地震作用下的行為差異進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn),變摩擦單擺隔震器的最大位移反應(yīng)較摩擦單擺隔震器明顯減小,可降至60%。2.1.3mfps模型的應(yīng)用Y.S.Kim等研究了在不同的地震激勵(lì)下,雙凹摩擦擺系統(tǒng)的不同摩擦系數(shù)和恢復(fù)力模型對(duì)橋梁地震反應(yīng)的影響。蔡崇興等人對(duì)MFPS隔震縮尺和足尺鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),分別輸入了遠(yuǎn)近斷層地震波,并考察了單向、雙向和三向地震激勵(lì)下的隔震效果。結(jié)果顯示,MFPS在長(zhǎng)短周期的多維激勵(lì)下均能有效的隔離地震,和固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比,各樓層的加速度反應(yīng)顯著減小,可減輕上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)80%~88%,而且在強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力反應(yīng)限制在一定范圍,MFPS的殘余位移可以忽略不計(jì);并與數(shù)值計(jì)算比較驗(yàn)證了提出的MFPS模型的精確性。Constantinou也介紹了雙凹摩擦擺支座于6層鋼框架模型的試驗(yàn),并介紹了隔震系統(tǒng)的安裝。2.1.4線性隔震反應(yīng)參數(shù)分析Morgan等對(duì)加設(shè)多級(jí)摩擦擺隔震器上的1/4縮尺隔震鋼支撐框架進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),將新的三擺支座的性能與帶有非線性粘滯和雙線性遲滯耗能機(jī)制的線性隔震系統(tǒng)進(jìn)行了比較,并對(duì)反應(yīng)參數(shù)做了分析用以建立多級(jí)性能設(shè)計(jì)框架。研究表明:三重摩擦擺隔震支座適用于高柔結(jié)構(gòu)以改善地震反應(yīng);它能夠逐步在不同的反應(yīng)階段展現(xiàn)不同的滯回性能,并可在不同的地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性下實(shí)現(xiàn)明確的性能目標(biāo),并給出了基于多級(jí)地震災(zāi)害水平下性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)建議。2.2摩擦流場(chǎng)的溝面2.2.1tfps的應(yīng)用為研究溝槽式摩擦單擺(TFPS)的隔震效果,蔡崇興等進(jìn)行了3層縮尺鋼構(gòu)架加裝TFPS的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,TFPS在不同地震力作用下皆能有效減小結(jié)構(gòu)物在地震作用下的反應(yīng),且使隔震殘余位移量降至最小。而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)理論模擬與試驗(yàn)結(jié)果比較表明,所提出的有限元模型能非常有效地模擬隔震結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)態(tài)反應(yīng),具有較高精度。此外,利用蔡崇興教授研發(fā)的非線性動(dòng)力分析軟件NSAT進(jìn)行了RC橋梁加設(shè)TFPS的地震反應(yīng)分析,結(jié)果顯示即使是兩向自然頻率不同的結(jié)構(gòu)物,使用TFPS也能提供穩(wěn)定的隔震效果,可相當(dāng)有效地減輕地震對(duì)結(jié)構(gòu)物的損害。蔡崇興等對(duì)加設(shè)TFPS的隔震高科技設(shè)備進(jìn)行了一系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明,該系統(tǒng)可在強(qiáng)震下為高科技設(shè)備提供良好的保護(hù)[168~170]。2.2.2模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)蔡崇興等于逢甲大學(xué)進(jìn)行3層縮尺鋼構(gòu)架加裝溝槽式復(fù)擺隔震器(MTFPS)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。結(jié)果說(shuō)明:溝槽式復(fù)擺隔震器能隔離大多數(shù)的地震能量,且借由MTFPS的曲率軌道及上部結(jié)構(gòu)荷重能使隔震結(jié)構(gòu)回復(fù)至地震前,使殘余位移量降至最小,提供良好的保護(hù),避免地震損害結(jié)構(gòu)。2.2.3結(jié)構(gòu)體系界面S.Huang等對(duì)一個(gè)2層基本設(shè)施采用抗拉伸FP隔震器進(jìn)行了設(shè)計(jì)并建立了該建筑的三維計(jì)算模型,并利用非線性單元模擬該隔震器,進(jìn)行了不同地震等級(jí)以及不同模型參數(shù)下的時(shí)程分析。除了驗(yàn)證其抗拉有效性,分析表明:使用該隔震器可減少上部結(jié)構(gòu)需要的支撐數(shù)量,在滿足抗震性能目標(biāo)前提下具有一定經(jīng)濟(jì)性。Roussis和Constantinou通過(guò)一個(gè)1/4縮尺比例的5層鋼框架模型水平和豎向地震動(dòng)模擬試驗(yàn)證明了它的有效性[174~178]。研究顯示:盡管支座產(chǎn)生位移,XY-FP仍可提供有效的抗隆起能力,以及沿著支座主要的水平方向提供明顯的剛度和耗能。甚至在近斷層強(qiáng)地震動(dòng)和傾向于隆起的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等最極端的情況下,該隔震器都十分有效,有著廣泛應(yīng)用的潛力。Marin對(duì)一個(gè)隔震的桁架橋模型進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示XY-FP在發(fā)揮隔震功能的同時(shí),能抵抗大的拉伸荷載。MontazarRabiei研究了豎向地震對(duì)XY-FP隔震結(jié)構(gòu)的影響;改變上部結(jié)構(gòu)周期、隔震周期和滑動(dòng)摩擦系數(shù)等重要參數(shù),研究了基底剪力和支座位移的變化。2.3好的模型及新能源模型的建立蔡崇興和楊振宗等對(duì)3層縮尺鋼構(gòu)架加裝方向優(yōu)化的摩擦單擺隔震器(DO-FPS)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)中將DO-FPS的溝槽盤面進(jìn)行了多角度的旋轉(zhuǎn),結(jié)果顯示DO-FPS在不同頻率特性地震作用下皆能有效降低上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng),且擁有良好的回復(fù)機(jī)制及消能機(jī)制,此外,經(jīng)由非線性動(dòng)力分析軟件NSAT的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相互比較驗(yàn)證了所提出的有限元模型[181~183]。林中城進(jìn)行貴重儀器柜加裝DO-FPS的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),隔震效果同樣顯著。林家綠進(jìn)行了3層縮尺鋼構(gòu)架加裝方向優(yōu)化的摩擦復(fù)擺隔震器(MDO-FPS)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),證明MDO-FPS可有效地降低上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度反應(yīng),且擁有良好的回復(fù)機(jī)制及消能機(jī)制。3擺支施工的國(guó)內(nèi)及國(guó)外摩擦擺隔震支座出色的綜合性能使其在工程結(jié)構(gòu)中受到廣泛的關(guān)注,而隨著其隔震設(shè)計(jì)納入AASHTO所編制的“隔震設(shè)計(jì)指南”和2006年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)頒布的“建筑和其它結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計(jì)荷載”規(guī)范,摩擦擺支座開始在美國(guó)、日本和歐洲等地方得到了大量的應(yīng)用,正在建設(shè)中的中國(guó)十大新建筑奇跡之一北京當(dāng)代萬(wàn)國(guó)城也采用了該支座,為我國(guó)的首次應(yīng)用。資料顯示,在美國(guó)和日本,采用摩擦擺隔震的建筑物已達(dá)數(shù)百座,頗具發(fā)展前景。不少采用摩擦擺隔震的建筑已經(jīng)經(jīng)受了地震的考驗(yàn),如華盛頓州應(yīng)急指揮中心和西雅圖海鷹美式足球場(chǎng)遭遇尼斯夸利地震后并沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞,證明了其良好的隔震性能。表1簡(jiǎn)要列出摩擦擺隔震技術(shù)的典型工程應(yīng)用,圖1~圖6為部分工程及其隔震器示意圖。4試驗(yàn)研究的總結(jié)與展望20多年來(lái),摩擦擺隔震技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展,并已在許多重要的新建或加固工程中得到應(yīng)用,有效地改善了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),提高了整體性能,并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為了進(jìn)一步促進(jìn)摩擦擺隔震技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,仍有以下問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決:(1)對(duì)現(xiàn)有的各類摩擦擺隔震支座進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),完善其功能,同時(shí)開展可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性研究,因?yàn)榇巳邲Q定著隔震支座的應(yīng)用和推廣。在降低摩擦擺隔震支座造價(jià)的同時(shí),需對(duì)摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估,綜合考慮隔震結(jié)構(gòu)的功能、安全、經(jīng)濟(jì)因素之間的平衡。(2)研制開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用新型摩擦擺隔震支座,包括新型材料的選用,幾何構(gòu)造上的創(chuàng)新等。目標(biāo)是使摩擦擺隔震支座具有更高承載力;更大位移能力;更好的耐高低溫性能、耐久抗老化性能、防火性能、抗傾覆性和扭轉(zhuǎn)條件下的穩(wěn)定性;更可靠的恢復(fù)機(jī)制和消能機(jī)制等優(yōu)異性能。甚至可以與豎向振動(dòng)控制相結(jié)合,開發(fā)新型的三維隔震器。(3)數(shù)值模擬是一種經(jīng)濟(jì)且較為有效的驗(yàn)證手段,但試驗(yàn)研究仍是檢驗(yàn)?zāi)Σ翑[性能和減震效果最具說(shuō)服力的武器,應(yīng)繼續(xù)開展以下研究工作:(1)對(duì)各類摩擦擺隔震支座進(jìn)行全面系統(tǒng)的性能測(cè)試,分別建立精細(xì)化模型精確模擬其工作行為,以便于開展數(shù)值模擬和隔震設(shè)計(jì);(2)開展裝有摩擦擺隔震器結(jié)構(gòu)模型的縮尺和足尺試驗(yàn),檢驗(yàn)各類摩擦擺隔震器的工作性能和減震效果。(4)加強(qiáng)摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)體系的實(shí)用化分析與設(shè)計(jì)方法研究,建立摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,編制相應(yīng)的分析與設(shè)計(jì)軟件;積極開展基于性能和基于能量的摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法研究,新開發(fā)的與抗震設(shè)防目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的多級(jí)摩擦擺隔震支座必將起到加速推進(jìn)的效果;對(duì)摩擦擺隔震器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí),進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)與摩擦擺隔震器組成的隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì),避免出現(xiàn)“顧此失彼”的劣“優(yōu)化”設(shè)