论文部分内容阅读
传统摩擦摆隔震支座（friction pendulum bearing,FPB）位移能力不足,隔震周期固定,不能满足更为广泛的地震动作用下隔震结构的抗震性能要求。多曲面摩擦摆隔震支座解决了传统摩擦摆隔震支座的这一问题,但其构造复杂增加了设计和施工的难度,同时隔震系统的可控性不足。为此本文提出具有自适应特性的变摩擦摆隔震支座（variable friction pendulum bearing,VFPB）和变曲率变摩擦-摩擦摆隔震支座（variable curvature and friction-friction pendulum bearing,VCF-FPB）,这两种支座构造简单,在不增加其构造复杂度的基础上弥补了传统FPB的不足。因此对VFPB和VCF-FPB的研究和应用更具有实际意义。本文首先通过试验研究了滑移速度、竖向面压、加载方式、粗糙度以及温度对聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene,PTFE）、改性聚四氟乙烯（modified polytetrafluoroethylene,M-PTFE）、改性超高分子量聚乙烯（modified ultrahigh molecular weight polyethylene,M-UHMWPE）和改性聚甲醛（modified polyformaldehyde,M-POM）四种摩擦材料-不锈钢界面摩擦系数的影响。其中PTFE、M-PTFE、M-UHMWPE的摩擦系数随滑移速度的增加而增加,在滑移速度增加到特定值后趋于稳定不再增加;摩擦系数随面压的增加而减小。M-POM为一种新型摩擦材料,其摩擦系数随滑移速度增加基本保持不变;摩擦系数随面压增大而减小。相比其他三种材料,M-POM的摩擦系数受面压和滑移速度的影响最小。粗糙度对M-UHMWPE的摩擦系数的影响比M-POM的摩擦系数大。温度变化对M-UHMWPE和M-POM摩擦系数有明显的影响,温度增加摩擦系数减小。在一段往复运动后,四种材料的磨损主要表现为黏着磨损,PTFE磨损最严重,其次为M-PTFE,再是M-UHMWPE,M-POM磨损程度最轻。通过将传统FPB滑移面划分不同粗糙度的滑移区实现变摩擦机制,提出VFPB。基于理论分析和试验研究其力学特性,研究表明合理的设置滑移面上的滑移区,VFPB可表现出等效刚度和等效阻尼比随滑移位移变化的特性。滑移区设置应考虑滑移区的数量,大小及摩擦系数。随着VFPB滑移面上最外环（最大）摩擦系数的增加,等效刚度增加,等效阻尼比减小;随着滑移区数量的增加,等效刚度减小,等效阻尼比增加。不同竖向荷载和滑移速度下试验所得VFPB滞回曲线均呈现出中间细,两头粗的“狗骨头”形状,与理论分析所得结果符合。同一峰值速度下,随着竖向压力增加,VFPB滞回曲线越饱满,支座耗能能力越好。基于支座试验所得滞回曲线,通过参数识别所得M-POM-不锈钢滑移面摩擦系数随速度峰值基本保持不变,随竖向荷载增加而减小。摩擦系数由中心滑移区到边缘滑移区逐渐增大,符合预期对滑移面上摩擦系数的设定。在不同竖向荷载下,中心滑移区摩擦系数为0.061～0.096,中间滑移区摩擦系数为0.075～0.108,边缘滑移区摩擦系数为0.098～0.132。提出VFPB的非线性滞回特性分析模型,通过合适的参数设置,本文提出的分析模型能够正确的模拟VFPB的真实滞回特性。实施正弦波、三角波位移加载试验验证分析模型的正确性。基于分析模型、试验和理论分析所得滞回曲线计算支座的等效刚度和等效阻尼比并求相对误差。在不同频率正弦波位移加载下,三种方法所得等效刚度的相对误差小于5%,等效阻尼比的相对误差小于8%。在不同频率三角波位移加载下,三种方法所得等效刚度的相对误差小于8%,等效阻尼比的相对误差小于7%。实施实际地震动记录位移加载试验,分析模型所得滞回曲线能够很好的符合试验所得滞回曲线。基于两种方法所得滞回曲线,对比最大水平位移,相对误差小于3%,最大水平抗力误差小于9%。通过单自由度体系验证分析模型非线性时程分析的精度,基于分析模型和振动微分方程求解的结果相对误差小于8%。总体而言,本文提出的分析模型能够精确的反映VFPB的真实力学特性。结合变曲率概念和变摩擦机理提出另一种新型VCF-FPB,通过理论分析得出支座力-位移关系、残余变形、剪切性能参数及其变化规律的表达式。通过有限元模拟验证了理论分析的正确性。理论分析和有限元模拟结果能够很好吻合,验证了理论分析所得VCF-FPB的滞回曲线、等效刚度、等效阻尼以及耗能能力表达式的正确性。VCF-FPB具有两阶段屈服刚度,滑移区Ⅰ的大小d1影响第一屈服刚度向第二屈服刚度过渡的位置。第二屈服刚度随滑移区Ⅱ曲率半径R2增大而减小。VCF-FPB等效刚度和耗能能力随滑移区Ⅱ的摩擦系数2呈线性变化趋势,等效阻尼比与2呈反比例函数关系。支座耗能能力不受2影响。相比传统FPB,VCF-FPB等效刚度增加,增加幅度为15%～160%。等效刚度增加百分率随着摩擦系数2的增加而增加,随着曲率半径2的增加而减小。相比传统FPB,VCF-FPB耗能能力增加,增加幅度为1%～230%,增加百分率随摩擦系数2的增加而增加且不随曲率半径2变化。仅在2和2的特定组合下VCF-FPB的等效阻尼比大于FPB阻尼比,增加幅度为0%～80%。等效阻尼比的增加百分率随2和2的增加而增加。总体而言,相比VFPB,VCF-FPB等效刚度增大,增大幅度最大为82.3%。等效刚度增量随2和2的增加而减小。相比VFPB,VCF-FPB等效阻尼比减小,且等效阻尼比的减小量随2和2的增加而减小。摩擦系数2大于0.13的VCF-FPB能够同时实现较大等效刚度和等效阻尼比。建立VCF-FPB隔震体系的分析模型和振动微分方程,基于Matlab仿真平台进行非线性时程分析。分析VCF-FPB支座参数对VCF-FPB隔震体系地震响应的影响。VCF-FPB隔震体系的位移响应随R2的增加而增加,随2的增加而减小。相比传统FPB隔震体系,VCF-FPB隔震体系的位移响应减小;当R2减小,2增大时,位移响应的减小幅度越大。VCF-FPB隔震体系的加速度响应随R2的增加而减小,随2的增加而增大。相比传统FPB隔震体系,VCF-FPB隔震体系加速度响应增加;随着2和2增大,加速度响应的增加幅度增大。加速度响应的增加幅度小于位移响应的减小幅度。VCF-FPB隔震体系的位移响应和加速度响应均对d1最敏感,对2敏感性最差。基于新编GB/T51408-2021《建筑隔震设计标准》提出摩擦摆支座隔震结构一体化直接设计方法。该方法在计算隔震结构地震作用时考虑了隔震层和上部结构阻尼特性的不同,使设计结果更加合理。通过非线性时程分析研究钢筋混凝土框架VFPB隔震结构和模块化钢框架VFPB隔震结构的抗震性能。对于钢筋混凝土框架结构,使用FPB和VFPB隔震技术均能提高结构的抗震性能。相比FPB隔震结构,VFPB隔震结构隔震层位移更小,上部结构地震响应也更小;在罕遇烈度地震作用下,VFPB隔震结构损伤程度减小10%,在极罕遇烈度地震作用下,VFPB隔震结构损伤程度减小15%。在近断层地震作用下,地震动强度指数对VFPB隔震结构和FPB隔震结构的地震响应均有显著影响。速度相关的地震动强度指数对顶层位移和支座位移的影响最大,位移相关的地震动强度指数对顶层位移和支座位移的影响次之。顶层加速度受加速度相关的地震动强度指数影响最大。相比VFPB隔震结构,FPB隔震结构的地震响应受地震动强度指数的影响更大。相比FPB隔震结构,VFPB隔震结构支座位移减小约30%,同时上部结构地震响应减小约5%。FPB、VFPB隔震结构均能明显降低模块化钢框架的地震响应;相比FPB隔震结构,VFPB隔震结构隔震层位移减小接近20%,VFPB隔震结构具有在上部结构地震响应不明显增大的情况下,隔震层位移明显减小的特性,且该特性随地震动强度的增加而愈明显,体现了VFPB的自适应性。