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1985年美國地震保護體系(EPS)公司首次提出利用鐘擺原理來設計減隔震支座的思想,并研制出實際第一臺摩擦擺式減隔震支座。該支座剛開始在房屋建筑方面得到大量應用,最后才開始在橋梁和大型儲油罐等結構上面使用,并取得不俗的效果。摩擦擺式減隔震支座本質上不光是一種擺式減隔震支座,也是一種滑動摩擦支座,它是在利用2個曲面的摩擦來實現支座的減隔震功能的前提下,也依靠鐘擺機理來延長下部結構的自振周期,進而達到減小地震力的效果,如圖1-7所示。
由于摩擦擺式減隔震支座是一種兼顧滑動摩擦耗能和鐘擺原理的減隔震支座,在通過摩擦減輕結構振動能量的同時,也能降低結構的自振周期,避免結構在地震波作用下產生共振現象。同時,摩擦擺式減隔震支座結構較小,因此在世界各地迅速得到廣泛使用,歐洲的德國及意大利等橋梁構件廠家后續大力跟進研究,并取得不俗成果。與傳統抗震橡膠支座相比,摩擦擺支座各項性能均更加優異,具體表現為承載力高、阻尼比大。與鋼阻尼支座相比,摩擦擺減隔震支座具有重量輕,復位能力強等特點。正因為摩擦擺減隔震支座結合了普通橡膠支座與鋼阻尼支座的共同優點,所以,摩擦擺減隔震支座將是未來幾年內減隔震支座領域應用量較多的一款產品,
摩擦擺減隔震支座的工作性能及原理
摩擦擺式減隔震支座以單擺的工作原理為重要依據,利用本身巧妙的構造特性起到減隔震作用,核心想法是在地震作用下支座的上下部分可以在接觸面(曲面)上自由的擺動,自重作用下支座有自恢復的效應。在地震作用較小時,可依靠上部結構自重與橋梁直接的靜摩擦力來保證橋梁的穩定性;而在較大地震作用下時,支座上下部分可以在接觸面(曲面)上產生滑動,使橋梁上部結構所受到的地震力不會再傳遞到下部結構,從而達到減隔震的效果。摩擦擺隔震裝置是通過造成結構頻移和滯回耗能來保護結構的,其恢復力由摩擦面的曲率半徑決定,可以通過調整曲率半徑調整頻移幅度,摩擦面的滑動形狀決定了滯回系統的耗能情況,其恢復力模型見圖2。
摩擦擺式減隔震支座的基本力學特征如下:
摩擦擺式減隔震支座的隔震周期為:
摩擦擺式減隔震支座的本質是非線性的,但是可以用等效線性的方法計算得到支座的等效線性剛度和等效黏滯阻尼比。
摩擦擺式減隔震支座的等效剛度為:
式中,R為第一滑動面的曲率半徑,g為重力加速度,W為上部結構荷載,u為動摩擦系數(一般可取0.01~0.06,通長取0.05),d,為屈服水平位移(一般可取2.5mm),D為極限位移。由以上可見,摩擦擺式支座的設計參數主要有:
支座豎向反力W、預設各種周期T、球面的曲率半徑R、支座最大地震位移D和滑動面摩擦系數u等。在支座設計時,首先根據支座豎向反力W確定支座球面滑動面的平面尺寸,預設隔震周期T通長是結構自振周期的一倍以上,通過預設隔震周期T就可以計算出球面的曲率半徑R。
摩擦擺減隔震支座的優點
從制造成本角度來看,摩擦擺減隔震支座技術具有造價低、施工簡單的特點;從力學性能方面來說,摩擦擺減隔震支座技術具有很強的承載能力、良好的穩定性、復位功能和抗平扭能力,在實際工程中已經得到廣泛使用,并在實際地震中表現出良好的減隔震效果。由于摩擦擺式減隔震支座具有安裝方便、造價低廉及隔震性能突出的特點,自從被提出以來就一直受到國內外眾多研究者的關注。
摩擦擺式減隔震支座是一種經過大量技術改進和試驗驗證而得到新型摩擦擺減隔震支座。該支座結構是一種介于摩擦單擺和等直徑摩擦復擺之間的結構,該類型產品解決了單擺結構上下座板尺寸差異大、支座選型安裝困難、等直徑復擺密封困難的問題。同時該支座采用了新的摩擦材料,在保證材料磨耗性能的前提下,提高了材料的摩擦系數,增大地震過程中支座對地震能量的消耗能力,進而延長橋梁的振動周期,減小橋梁上部結構對地震振動的響應響應,有效減小橋墩頂位移及墩底彎矩,減小橋墩尺寸及樁基數量,大大降低了工程造價。