摩擦擺隔震支座理論研究與應用現狀

【摘要】：近些年來我國空間結構抗震研究也經歷了從無到有、從量變到質變的飛躍。隨著大跨空間結構分析理論和隔震技術的發展，從隔震系統的理論研究到各種隔震系統在各類工程中應用是一個很大發展。

【關鍵詞】：大跨空間結構；摩擦擺隔震支座；工程應用

摩擦擺隔震支座是基礎隔震的一種，基礎隔震可分為橡膠墊基礎、滑移基礎隔震和混合基礎隔震等多類。各類基礎隔震結構地震反應的性態有所不同，但其隔震原理基本相同，都是通過隔震層削弱而不是強化上部結構與基礎之間的聯系，改變結構系統的動力特性，避免共振或者接近共振現象的發生，達到減少地震作用力和限制隔震層位移的目的。

1、摩擦擺隔震支座理論研究現狀

摩擦擺系統（Friction Pendulum System：FPS）是由Zayas于1985年提出的一種隔震系統，該系統特有的圓弧滑動面使其具有自動復位機制和良好的振動穩定性，且便于制作在工程中的實現。摩擦擺系統（Friction Pendulum System：FPS）通常設置在主體結構與其支撐結構之間，通過支座內部滑塊在滑槽中的滑動來隔離地震作用，并利用滑塊和滑動接觸面間的滑動摩擦來消耗地震能量，實現主體結構振動響應的有效控制。摩擦擺支座已經應用到了實際的工程中，并經受了實際地震的檢驗，隔震效果非常好。

摩擦擺隔震支座不僅可以隔離支座水平地震作用，而且支座的水平剛度顯著低于上部結構的側向剛度，這樣可以延長結構的自振周期，使結構的加速度反應大大減小。同時，結構在地震反應過程中大變形主要集中在摩擦擺支座處，而上部結構本身的相對變形較小，此時可以近似認為上部結構是一個剛體，從而為建筑物的地震防護提供良好的安全保障。

摩擦擺滑動隔震的方法造價低、施工簡單、幾乎不受上部結構重量影響，除具有一般平面滑動隔震系統的特點外，還具有良好的穩定性、復位功能和抗平扭能力，具有較好的隔震效果，摩擦滑移隔震裝置通常由隔離地震的摩擦滑動機構和限位復位的阻尼向心機構組成。而傳統的平面滑移系統則不能自動復位需要另設復位系統，而且滑動離散性比較大，有時可能導致穿越隔震層的非結構構件破壞，甚至可能發生滑移失穩，這極大的阻礙了摩擦滑移隔震的發展。為解決傳統平面滑移系統不能自動復位這個問題，Zayas等人對其進行改進，于1985年在美國加州大學伯克利分校研發了摩擦擺隔震裝置，稱之為摩擦擺系統/支座（Friction Pendulum System/ Bearing，簡稱FPS/FPB）。

鄒宏德首次將FPS隔震裝置引入鋼筋混凝土巨型框架多功能減震結構體系中，主要研究了FPS動力參數對鋼筋混凝土巨型框架多功能減震結構體系抗震性能的影響，并得出結論：（1）摩擦系數是FPS隔震支座最為主要的動力參數之一，過大的摩擦系數將會產生過大的水平慣性力，這對主框架結構的地震響應是不利的。在鋼筋混凝土巨型框架多功能減震結構的實際應用過程中，應盡量采用摩擦系數較小的FPS隔震裝置。（2）支座滑動半徑R是FPS隔震支座另外一個重要的動力參數，R值越大，結構的地震反應越小，因此，在滿足FPS隔震支座水平位移容許條件的情況下，應盡量采用R值較大的產品。

趙偉針對現有摩擦擺支座不能隔離豎向地震作用的缺點，設計了一種抗拔摩擦擺隔震支座，建立了相應的理論計算模型，對其性能進行研究，并將摩擦擺隔震支座應用到球面網殼中，通過改變摩擦擺支座的摩擦系數和滑道半徑，對一個單層球面網殼輸入不同場地條件和不同強度條件下的地震波，分析其隔震效果，探討摩擦擺隔震支座的摩擦系數和滑道半徑等支座參數對網殼結構隔震效果的影響。

潘克君同樣也是基于摩擦擺支座只能隔離水平地震作用，不能滿足隔離豎向地震作用的特點，提出了一種新型構造的豎向抗拔摩擦擺支座并對其力學性能進行了有限元模擬和試驗分析。得出了兩者結果比較一致，并驗證了支座的摩擦系數和豎向壓力對抗拔摩擦擺隔震支座水平剛度的影響。

吳陶晶針對大跨度FPS隔震支座支撐下連續橋梁，對比了在墩高、支座半徑、支座屈服強度系數等參數變化的情況下，考慮和忽略FPS支座恢復力的雙向耦合作用時橋梁的非線性時程響應結果。證明支座恢復力的雙向耦合相互作用對隔震橋梁的地震響應有著重要影響。伍昊婿[12]對大噸位摩擦擺隔震支座進行振動臺實驗，得出支座隨著地震作用的增大，滯回曲線耗能變大，最大減震效果達到64.21%。

鄧雪松推導出摩擦擺隔震支座在變曲率下的剛度和最大殘余應力公式，并得出（1）在初始剛度相同情況下變曲率摩擦擺支座的等效粘滯阻尼比和耗能系數更大.（2）曲面函數決定變曲率支座剛度，通過改變曲面函數可以改變支座剛度，從而達到改變結構的自振周期目的。（3）變曲率支座剛度軟化機制使得底部上傳的剪力減小。（4）支座的最大殘余位移由曲面函數和摩擦系數共同決定。

巫煒推導反應摩擦擺水平和豎向振動耦合的非線性微分方程，并據此編制非線性動力分析程序，分析了豎向地震激勵下結構和支座響應，并分析了隔震參數與上部質量比，對隔震效果的影響。

2、摩擦擺隔震支座工程應用現狀

目前，摩擦擺隔震系統已在國內外大跨結構隔震方面得到了廣泛的應用。例如舊金山國際機場候機大廳長215m，寬64m，高24m，267組摩擦擺，整個結構可側向移508mm，降低70%的結構地震作用。土耳其伊斯坦布爾國際機場，保護錐形屋頂框架精致玻璃、玻璃幕墻和懸臂樁免受8級地震破壞；華盛頓州應急指揮中心，摩擦擺支座可減小50%支座剪力，可抵御尼斯夸利6.8級8倍地震強度；西雅圖海鷹美式足球場，4個摩擦擺支座安裝于屋頂支撐塔上以保護巨大屋蓋；加州貝尼西亞馬丁尼茲大橋，目前世界上最大的摩擦擺，支座直徑4m，每個重達18t，設計荷載22226KN，水平位移能力135cm；密西西比河I-40大橋，摩擦擺支座加固后可抵御新馬德里斷層上7級地震世界上承載力最大的摩擦擺，可承受88984KN豎向荷載。

總結：

結構振動控制的工程應用在過去的多年中在國內外有了較大的發展，在理論方面，成功地借鑒了其他領域中的控制理論，為結構控制找到了可行的分析和計算方法，使摩擦擺隔震支座的應用具有理論依據。

參考文獻

[1]Zayas V，Low S and Mahin S. The FPS earthquake resisting system[R]. Technical Report UCB/EERC-87/01， University of California at Berkeley，1987.

[2]楊林，周錫元，蘇幼坡，常永平.FPS摩擦擺隔震體系振動臺試驗研究與理論分析[J].特種結構，2005：43-46.

[3]潘克君.豎向抗拔摩擦擺支座的參數設計與性能試驗研究[D].北京：北京工業大學，2011.

[4]吳陶晶，李建中，管仲國.雙向耦合效應對FPS隔震橋梁地震響應的[J].響振動與沖擊，2010.

[5]鄧雪松，龔健，周云.變曲率摩擦擺隔震支座理論分析與數值模擬[J].土木建筑與環境工程，2011：50-58.