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摩擦摆隔震支座减震原理设计选用参数

建筑隔震支座  2019-6-28 11:26:13  14515
内容摘要:摩擦摆隔震支座是将滑动支座和钟摆的概念相结合,构成一种新的干摩擦滑移隔震装置。其滑动面是曲面,通过结构自重提供所需的自复位能力;FPS隔震支座利用一个简单的钟摆机理延长结构的自振周期。如果FPS隔震支...

摩擦摆隔震支座是将滑动支座和钟摆的概念相结合,构成一种新的干摩擦滑移隔震装置。其滑动面是曲面,通过结构自重提供所需的自复位能力;FPS隔震支座利用一个简单的钟摆机理延长结构的自振周期。如果FPS隔震支座承受的荷载为W,水平位移为D,摩擦系数为μ,R为滑动曲面的曲率半径,则水平力为:

F=W/R*D+μW(sgnD)

式中第1项为因承受质量沿曲面滑动上升所产生的水平向恢复力,水平刚度为Kh=W/R;第2项为滑块与滑动曲面相对滑动时产生的摩擦力。此外,由单摆周期公式T=2π(R/g)(1/2)知此隔震结构的周期与承受的重力无关。采用库伦摩擦时FPS支座仅受参数R和μ的控制,有以下2个动力特性:①2个水平方向的变形具有摩擦滑移特性;②滑动后在水平剪力方向具有刚度特征。

摩擦摆隔震支座通过摩擦耗能方式将地震能量转化为热能,同时通过摆式结构实现将能量转化为势能,延长结构基本自振周期,进而实现阻尼功效。摆式结构可以实现位移的自我恢复,提高了地震时的隔震性能,避免了震后调整工序,且由于相对体积较小,具有较为广泛的应用前景。

摩擦摆隔震支座

FPS摩擦摆隔震支座设计参数的选取原则:

运用上文提及的两种计算模型进行动力时程反应分析时,FPS支座的主要设计参数为滑动摩擦系数L和支座的滑动面半径R(或者是Bouc-Wen模型中的屈后刚度K=W/R)。本文就其在规则连续梁桥中的选取原则及需考虑的因素给出下述建议:

1、 FPS支座的滑动面半径R或屈后刚度K和摩擦系数对墩柱内力影响都较大。屈后刚度和摩擦系数越小墩柱剪力、弯矩越小,而墩梁相对位移越大,因而要得到好的减震效果必须进行设计参数比选分析。

2、支座的合理滑动面半径的选取时应注意:最小滑动面半径由支座材料接触面压强,及支座的体积确定,实际设计中,我们可以通过如下方式确定支座滑动面半径下限。

聚四氟乙烯复合夹层板的设计压应力30Mpa(试验测得的实际极限强度值约为200Mpa)滑动面的球冠高度h可近似选取为支座高度的1/4~1/5(如0.05~0. 1m)。利用容许应力法,可求得聚四氟板的最小半径:

=0.530m-1.06m,最大的滑动面半径可由支座的目标允许最大位移确定。苏通长江大桥的引桥设计经验表明对于30~100m跨径的连续梁桥,屈后刚度取值大致在2 000kN/m-10 000kN/m之间。

考虑到对于公路和铁路桥梁的地震中行车的安全性,滑动面半径选取时,必须确保支座的竖向抬高位移量必须在公路铁路行车所需的范围内,一般而言可由下式计算。

dv=R[1-cos(arcsindh/R)]上式中,dv为支座的竖向位移量,dh为支座的水平位移量。

3、支座的摩擦系数,比较容易控制的是动摩擦系数,一般情况主要由接触面的材料性质来控制,例如对于国内目前可用的分片聚四氟乙烯板材(填充或不填充硅脂)其动摩擦系数可控范围为0.06~0.12。对涂硅脂的聚四氟乙烯板材还应考虑不同温度下摩擦系数变异时地震响应的影响。

4、考虑设计施工中的种种误差,支座的屈服力和屈服刚度的由支座墩位控制可能会有15%左右的变异。所以对支座的屈后刚度和摩擦系数的选取应有一定的调整空间。

5、在可选范围内选择多组支座参数后,应当采用上文提到的计算模型,在恒载初内力的条件下进行动力时程反应分析对减隔震效果进行比较,从而确定合理的支座设计参数。

摩擦隔震装置的临界摩擦力大小通常根据滑动面摩擦系数和支座竖向恒载反力来确定,因此竖向地震动对摩擦隔震装置结构的地震反应会产生一定的影响.实际上,摩擦隔震支座在水平和竖向地震动共同作用下,支座不但要承受恒载竖向反力,还要承受由于地震引起的竖向动反力.考虑竖向地震动后,支座的竖向反力发生了变化,导致对摩擦隔震支座的临界滑动力和滞回耗能有一定的影响,从而影响到隔震桥梁结构的地震反应。

摩擦摆隔震支座通过摩擦耗能的方式将地震能量转化为热能,并通过单摆式结构实现了位移的自我恢复,既提高了震时的隔震性能,又避免了震后调整工当桥梁结构受到较小的地震作用时,静摩擦力阻止上部结构滑动,使结构保持稳定;当地震作用超过支座开始滑动,发挥某一限度即最大的静摩擦力时,起到隔震作用。


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