平动—旋转复合摩擦式隔震支座动力学性能研究

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现有普通滑移支座存在震后位移量过大的问题,而具有自复位能力的摩擦摆支座在地震过程中会使梁体上升,易对桥梁产生附加损害。本文在现有球型抗震支座的基础上,综合超高分子量聚乙烯的耐磨性能及ZA27合金的减振性能,提出一种既能水平隔震又能竖向减振的新型平动-旋转复合摩擦式支座,在保证隔震能力的同时,提高耗能及水平承载能力,改善位移量过大的缺陷,并提供一定竖向减振能力。首先介绍了新型支座的结构和工作原理,分析建立了支座在单向及循环加载条件下的力-位移表达式,给出了分阶段的摩阻力计算公式,建立了支座的滞回模型。运用ABAQUS进行静态接触分析,模拟了支座竖直、偏转两种工况的受载情况,研究了UHMW-PE材料参数对静态结果的影响。研究了水平滑移量、卡口间隙、摩擦系数单独改变时滞回曲线、耗能量、等效阻尼比的变化规律。在确定滞回模型的基础上,研究了简谐振动输入下参数改变对支座动态性能的影响。施加地震波加速度于支座底部,研究了支座在不同地震波输入下的位移、能量及加速度响应结果。最后,建立支座-桥墩有限元模型,研究支座增加减振结构后在竖向简谐载荷作用下桥墩上部测点的竖向振动强度的减弱效果,改变ZA27合金厚度、垫板材料研究其对结果的影响。研究结论包括:(1)理论分析提出的力-位移模型有较高精度,变参数分析时,仿真计算与理论简化公式计算的耗能量最大相对误差为13.1%,阻尼比最大相对误差为9.02%,用简化公式研究支座的滞回特性可以满足工程计算要求;(2)支座旋转面2的摩擦系数对旋转阶段等效摩阻力的影响更大,影响系数约为旋转面3的2倍;(3)8度天津波作用下,支座的位移响应要明显大于taft波和EI波的结果,该支座更适合应用于硬场地及中硬场地的设防区域;(4)8度设防烈度下,增大旋转面摩擦系数对支座滑移量大小有明显的控制作用,支座最大单向位移幅值较纯平动滑移支座可减少30%以上;(5)8度设防烈度下,d0取40~80 mm时位移控制效果较好。综合考虑位移及能量响应结果,在3类地震波作用下,支座参数k2取1.5~2.5合适,d0取40~60 mm合适;(6)随着竖向简谐振动频率的增加,各测点竖向减振效果逐渐减弱,1~6 Hz频率内减振率为21.39%~67.77%,振级减小2.09~9.83 dB;6~14 Hz频率内减振率为14.63%~33.06%,振级减小1.37~3.49 dB;14~20 Hz频率内减振率为6.42%~25.68%,振级减小0.58~2.58 dB;(7)通过分析比较不同ZA27合金厚度下减振效果,考虑减振效果及使用成本,ZA27合金厚度设计时取12.5~15 mm合适。
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