摩擦摆基础隔震技术的研究与发展

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  摘 要:隔震技术的应用和发展为建筑结构抗震能力的提高提供了一条新的行之有效的途径,本文简述了基础隔震技术的隔震特征,以及滑移隔震体系研究发展,重点介绍了摩擦摆支座的构成和基本性能,阐述了其国内外研究进展和工程应用实例,最后提出了摩擦摆隔震技术在今后的发展应用中应解决的一些问题,并且指出了其在未来广阔的发展前景。
  关键词:滑移隔震;摩擦摆;基本性能;发展前景
  中图分类号:TU834.3+6文献标识码:A 文章编号:
  1引言
  地震作用是一种自然现象,是一种突发性毁灭性的自然灾害。世界上破坏性的强地震平均每年约18次,仅上个世纪,由地震引起的伤亡数超过5万人的强震就多达近20次[1]。1999年8月17日,在土耳其西北部科贾埃利省(KOCAEL)省会伊兹米特市(Izmit)发生7.4级大地震,死亡人数13992人,受伤26400人,倒塌房屋11.5万间,直接经济损失100亿美元以上[2]。2008年5月12日,四川省汶川县8.0级特大地震,死亡和失踪近9万余人,数百万人失去住所。2011年日本9级大地震死亡失踪近2万,造成损失达3500亿美元。
  摩擦滑移隔震系统研究概况
  摩擦滑移隔震的基本原理是在建筑物的基础和上部结构之间设置一种可以产生相对滑移的滑板,对滑板之间的滑移摩擦力进行控制,保证建筑物在地震时其上部结构相对于地基基础作整体的水平滑动。
  经过长期研究,摩擦滑移隔震装置的构造形式也在不断的变化,如纯摩擦隔震系统(P-F)、恢复力摩擦隔震系统(R-FBI)[3][4]、法国EDF摩擦隔震系统[5]、摩擦摆隔震系统(FPS)、滑动恢复力-摩擦隔震系统等。
  2.1 纯摩擦隔震系统(P-F)
  该系统是一种纯摩擦型的基底滑移隔震系统,上部结构和基础之间设有摩擦板或者砂垫层,地震作用下通过滑移摩擦来耗散地震能量,是最简单的一种隔震措施,该隔震结构有一个缺点,就是地震作用下没有限位功能,会有一定的残余位移,由于其形式简单,工程造价较低,工程施工上比较容易实现,纯摩擦基础隔震系统建筑在我国已经有很多工程实例。其原理简图见图2.1所示。
  2.2 恢复力—摩擦隔震系统(R-FBI)
  这种隔震系统由橡胶和摩擦板两部分共同组成,摩擦板通过摩擦消耗地震能量,橡胶受到水平作用变形后具有很好的弹性恢复能力,自动复位能力较强,但是这种隔震技术工程造价很高,不利于隔震技术的向工程实践推广,有待进一步的深入研究。该隔震系统的原理简图如图2.2所示。
  2.3 法国EDF摩擦隔震系统( EDF)
  该隔震系统由摩擦板和橡胶支座两个部分构成,摩擦板位于上部,橡胶支座在其下部。在遭受地震作用时,如果地震作用较小,该系统的橡胶支座起主要作用,但在强地震作用下,上部的摩擦板开始滑动,摩擦板的滑动可以消耗地震能量,减小上部结构地震作用。橡胶支座和摩擦板共同作用时,摩擦板的滑动摩擦还会对橡胶支座起到保护作用。该隔震系统原理简图如图2.3所示。
  2.4 滚轴隔震[6]
  滚轴隔震是滚动隔震的一种形式,在建筑物基础和上部结构之间有两层相互垂直的滚轴,滚轴在椭圆形的沟槽内滚动、摩擦,消耗地震能量,但是这种隔震结构自身不能提供弹性恢复力,缺少自动复位性能,使得由于滚动所产生的位移无法恢复。为了解决这个问题,西安建筑科技大学的姚谦峰教授等专家学者提出了一种改进的隔震系统,叫做球形基础隔震系统,该系统具有一定的自动复位能力,他们对该隔震系统进行了较为深入的研究和探讨。这两种隔震系统的原理简图如图2.4、2.5所示。
  2.5 摩擦摆隔震系统(FPS)
  摩擦摆隔震系统是一种经过改良的摩擦滑移隔震装置,隔震装置中滑道和滑块半径相同,滑道是一个凹形不锈钢做的球形表面,滑块是一个向下凸起滑移块,表面涂有一层特殊的材料(Teflon 材料),其中凹形球面能够提供弹性恢复力,是建筑物上部结构能自动复位,地震作用后的残留位移也可以得到有效控制。摩擦摆隔震装置的原理简图如图2.6所示。
  2.6 滑移复位摩擦系统(SR-F)
  这种隔震装置是将恢复力-摩擦基础隔震装置和法国EDF摩擦基础隔震系统组合起来得到的一种新型隔震装置,主要是在恢复力-摩擦隔震装置上面增加一个摩擦板,把两个隔震装置的性能综合起来,使其具有两个隔震装置的优点。当遇到小地震作用时,该组合系统的工作性能和恢复力-摩擦隔震系统一样,当遇到强烈地震作用时,上面的摩擦板受到地震作用就会发生摩擦滑移,吸收地震能量保证结构的安全使用。该系统的原理简图如图2.7所示。
  2.7 限位滑移隔震装置(S-LF)
  该隔震系统有滑移支座和限位支座联合组成,地震作用较小时,该系统具有足够的初始刚度,当受到较大的地震作用时,它就会有弹性工作状态转变为非弹性工作状态,吸收耗损地震能量。强震作用下限位器也容易进入塑性工作状态使上部结构产生残余位移,不能恢复到初始状态。其原理简图如图2.8所示。
   图2.1 摩擦隔震结构原理简图图2.2 R-FBI 原理简图
  
  图2.3 法国EDF原理简图 图2.4 滚轴隔震原理简图
  
  图2.5 球形基础隔震结构简图图2.6 摩擦摆原理简图
  
   图2.7 SR-F隔震系统原理简图 图2.8 限位滑移隔震系统简图
  
  摩擦摆支座的构成和基本性能
  摩擦摆(Friction Pendulum System,FPS)是一种改进的滑移隔震系统,是一种有效的干摩擦滑移隔震体系,其实际上是依靠重力自动复位的摩擦摆滑动机构,1985年由美国的Dr.Victor Zayas首先提出,后来Zayas博士创办了EPS公司专门做摩擦摆隔震产品。由于其具有良好的性能,受到了国内外学者较为深入的研究,并在国外已成功地应用许多实际工程中。图3.1为摩擦摆支座的构造示意图,支座各组成部分的名称如图所示。上滑动面FPS支座主要用于层间隔震,下滑道面支座主要用于基底隔震。
  
  
  (a)上滑动面支座 (b)下滑动面支座
  
  (c)支座的变位情况
  图3.1 摩擦摆支座构造示意图
  摩擦摆隔震支座由滑块和圆弧形滑道组成,滑块有一使滑块在滑道中滑动时能够保证上部结构整体水平滑动的装置,滑块和滑道之间涂有聚四氟乙烯摩擦材料,這种材料有抗压强度比较大,磨损较小,对温度的变化也不敏感等优点,所以一般的摩擦型隔震器都使用这种材料。摩擦摆隔震支座由于其特殊的圆弧形构造使其能够依靠其自身的重力进行自动复位。
  当受到地震作用时,摩擦摆支座开始滑动,此时摩擦摆支座能够使隔震体系的水平刚度中心和上部结构的质量中心保持一致,能够极大的减小结构扭转反应。摩擦摆隔震支座将建筑物以地面隔离开,充分利用滑块和滑动面之间的摩擦来消耗地震能量,大大减小上部结构地震能量的输入。但是,和橡胶支座一样,摩擦摆隔震支座也有其缺点,一般的摩擦摆支座没有竖向抗拔能力,支座受拉力作用时,滑块和盖板两者之间很容易脱离。轻型结构建筑物由于自重较小,结构在风载或者是地震作用下,摩擦摆支座由于拉力其盖板和滑块可能就会脱离,使建筑物倾覆,造成严重后果,所以在这种情况下就必须对摩擦摆支座加以改进,安装防倾倒装置,或者使用一种专门的竖向抗拔摩擦摆支座。
  国内外研究和应用现状
  4.1 研究现状
  摩擦摆是一种有效的干摩擦滑移隔震体系,目前国内外学者对其进行了较为深入的研究。其中Mokha、Tsopelas[7]对摩擦摆隔震系统的隔震效果进行了试验研究,并将其应用到房屋加固改造中; R.S. Jangid[8]对地震作用下最优摩擦摆隔震系统进行了研究; V.R. Panchal、R.S. Jangid[9]对VFPS隔震系统进行了研究,相比普通的摩擦摆隔震系统(FPS),起具有更好的隔震效果。
  在国内,周锡元院士等对摩擦摆隔震结构进行了系统分析与论述[10]。李大望[11]推导了摩擦摆隔震结构的二阶振动微分方程,计算分析了水平地震作用下FPS 的隔震效果和结构的水平和竖向振动响应规律,并对其非线性振动性态和隔震效应进行了研究。王建强[12]采用空间杆系-层模型对摩擦摆进行了双向地震反应分析,认为应考虑双向地震作用对摩擦摆基础隔震结构地震反应和隔震支座性能的影响。杨林[13]成功地完成了4 层钢框架模型的振动台试验,采用加速度和层间位移主要指标来评价结构的性能,试验结果表明,FPS 能有效减少上部结构动力反应,隔震效果良好。
  4.2 工程应用现状
  FPS主要应用于建筑结构隔震、桥梁结构隔震以及一些工业结构的隔震。FPS在建筑结构方面的应用主要有以下几个工程实例。
  旧金山机场国际航空港
  旧金山国际机场终端有广阔的内部空间,80英尺高柱,700英尺长屋顶精架以及玻璃外墙。该建筑设计抵抗圣安德列斯地区8级地震,共有267个摩擦摆支座用于这个地标性建筑,它是目前世界上最大隔震建筑,有超过2200万立方英尺的超大内部空间。
  ② 土耳其阿塔图尔克国际机场
  该机场为250万平方英尺的建筑结构,位于土耳其伊斯坦布尔,使用摩擦摆支座的主要结构是柱顶有三角天窗的820英尺 x740英尺的锥形屋顶空间框架,摩擦摆支座用于保护屋顶玻璃、玻璃幕墙、及悬臂柱免于8级地震的破坏。
  ③ 西雅图美式足球场
  该足球场位于华盛顿州西雅图市,其结构使用摩擦摆支座来保护大跨度桁架屋顶,支座安置于4个屋顶支撑塔上。
  ④ 旧金山公寓建筑
  马里纳公寓位于加州旧金山市,为4层木框架结构,摩擦摆支座置于基础车库层钢结构柱底,使该结构可承受7级的地震。摩擦摆的使用避免了使用剪力墙的需要,能够保证车库大空间的需求。
  ⑤ 美国加州海沃德礼堂
  海沃德大会堂为政府建筑,其位于地震带附近,为4层结构,为保证结构安全,其主要使用摩擦摆和粘滞阻尼器末抵抗该地区强烈的近场地趁动。
  ⑥ 美国听证法庭
  该听证法庭位于加州旧金山市,具有悠久的历史,面积为350,000平方英尺。该听证法庭结构基础为摩擦摆支座基础,外部为花岗岩,内部为大理石,装饰有石膏和硬木。
  5 问题及展望
  对滑移隔震技术, 国内外已进行了较多研究, 证实其在强震作用下的有效性。然而,摩擦摆隔震是滑移隔震技术的改进,由于基底和支撑面之间摩擦力的复杂性摩擦摆隔震结构在动荷载作用下的动力响应表现为高度的非线性特征,其理论研究还不够深入和成熟。在应用方面,仍有大量的技术问题有待解决,如高层建筑隔震措施的研究,摩擦摆隔震结构在滑道半径、摩擦系数共同影响下的研究,不规则框架结构的研究,以及结构在多维地震作用下的研究等等。随着人们认识的加深和社会的发展, 走抗震与减震相结合的道路是结构发展的必然趋势。摩擦摆基础隔震技术大大提高了大震下结构的可靠性,采用摩擦摆支座的隔震建筑也是越来越多,其发展前景是十分广阔的。至今我国还没有正式的技术规范来指导这类隔震建筑的设计,因此对其进行研究有着较大的实际价值。
   参考文献
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