FVD与FPB在大跨长联减隔震体系梁桥中的联合作用机理研究

为验证液体黏滞阻尼器(FVD)与摩擦摆支座(FPB)组合在大跨长联减隔震体系梁桥中的应用效果,以一联(50+8×100+50) m预应力混凝土连续梁桥为工程背景,建立全桥有限元模型,通过输入场地地震安评报告提供的50年超越概率为2%的三条人工模拟地震波,开展单独及组合使用液体黏滞阻尼器和摩擦摆支座的大跨长联梁桥减隔震研究,从能量耗散的角度揭示液体黏滞阻尼器与摩擦摆支座组合在大跨长联减隔震体系梁桥中的联合作用机理。结果表明,大跨长联梁桥仅使用黏滞阻尼器,其长周期特性激发黏滞阻尼器充分发挥耗能,但无法避免对固定墩的地震损伤;仅使用摩擦摆支座隔震在纵(横)向强震下会引起支座位移超限;摩擦摆支座与黏滞阻尼器组合的减震机理为摩擦摆支座提供墩梁间的弱连接,激发墩梁间的相对速度,促进黏滞阻尼器(速度型)充分发挥阻尼耗能作用。另外,组合减震方案中摩擦摆支座为辅助耗能装置,黏滞阻尼器为主要耗能装置,且主控梁体位移;相比仅使用摩擦摆支座隔震,由于黏滞阻尼器激发的阻尼力增强了墩梁间约束,这种组合减隔震可能使结构输入能量增加,从而导致地震反应加剧。     

基于负刚度装置的超长联大跨连续梁桥地震反应控制研究

为完善超长联大跨连续梁桥的减、隔震技术,将负刚度装置引入到超长联大跨隔震连续梁桥中组成新型减、隔震系统,并与黏滞阻尼器-摩擦摆支座组合减震系统进行比较。基于CSiBridge软件建立全桥有限元模型,负刚度装置采用弹性多段线模拟,摩擦摆支座采用双线性恢复力模型,黏滞阻尼器采用Maxwell模型,输入3条地震波进行非线性时程分析,考查两种新型减、隔震系统下桥梁结构的地震反应,探究负刚度系统及黏滞阻尼器系统对超长联大跨连续梁桥地震反应的控制效果。研究结果表明：负刚度装置与黏滞阻尼器均可以有效地减小超长联大跨隔震连续梁桥的支座位移。负刚度装置对桥墩内力反应及梁体加速度反应的控制优于黏滞阻尼器。负刚度装置在超长联大跨连续梁桥地震反应控制中有较好的应用前景。     

摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

介绍了摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理。利用力学平衡原理,对摩擦摆隔震支座进行了理论分析,推导了摩擦摆隔震支座的刚度和等效粘滞阻尼比,构造了摩擦摆隔震支座的滞回模型,并探讨了该支座的自回复能力,得到了其最大残余位移计算公式。采用有限元软件ABAQUS,对摩擦摆隔震支座进行实体单元建模,模拟低周反复荷载作用下,该支座的滞回特性与回复特性。研究结果表明：①理论分析和数值模拟结果吻合较好,验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性;②摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能;③摩擦摆隔震支座的刚度与球面半径成反比,可能的最大残余位移为摩擦系数和球面半径的乘积;④该支座的最大应力出现在支座处于设计位移的时刻,且一般位于滑块或支座板球铰面边缘。     

SMA弹簧-摩擦支座基础隔震体系的地震响应分析

大尺寸超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)螺旋弹簧是一种可用于结构减振控制的阻尼器。然而,迄今为止这种超弹性阻尼器在土木工程结构隔震领域的研究较少。本文提出了一种SMA弹簧-摩擦支座(SMA Spring-Friction Bearing,简称SFB)并研究了其隔震性能。首先,在考虑材料内部相变过程的SMA本构关系模型的基础上,针对超弹性SMA弹簧的恢复力性能建立了一种便于工程应用的新的宏观现象模型。随后,推导了SFB隔震结构体系运动方程,利用MATLAB程序进行了结构地震响应的数值模拟。最后,将SFB隔震体系的地震响应与具有相同结构参数的纯摩擦支座(Pure Friction Bearing,简称PFB)隔震体系和摩擦摆(Friction Pendulum System,简称FPS)隔震体系的地震响应进行了对比分析。研究结果表明,SFB对上部结构具有良好的加速度减振效果,同时,该支座较其它两种滑动支座在降低隔震层位移峰值响应和抑制隔震支座残余位移两方面具有明显的优势。     

适用于村镇房屋的新型摩擦摆隔震性能试验研究

针对村镇房屋隔震设施薄弱的问题,本着低成本、易施工的原则,设计了一种玄武岩纤维混凝土材料的摩擦摆隔震支座。将该新型支座与传统钢制摩擦摆支座进行拟静力试验,研究了该新型支座在相同的竖向荷载作用,不同频率下的干摩擦和润滑摩擦两种工况的支座的滞回性能,得出了该新型支座的基本力学性能,通过利用SAP2000有限元模型对采用该新型支座的隔震结构进行了动力时程分析,并且将该新型支座与传统钢制摩擦摆支座在滞回性能、构造方式和经济性三方面进行对比分析。结果表明:玄武岩纤维混凝土摩擦摆支座的滞回性能略低于钢制摩擦摆支座滞回性能,该支座隔震效果显著且易模性好,便于施工,造价低廉,适用于低层村镇房屋隔震设计与施工。     

新型压电变摩擦阻尼器的研发与性能试验

本文采用商用标准件叠层压电驱动器和圆形摩擦盘,研发了能提供水平任一方向可调摩擦阻尼力的新型压电变摩擦阻尼器,能与圆形隔震垫协同工作复合而成智能隔震系统.文中首先提出了新型压电阻尼器的基本结构,制作了试验室比例的模型;其次针对压电驱动器变形在微米数量级的特点和约束钢架的刚度特性,提出了基于有限元分析的形状系数和可调正压力计算方法.并用约束钢架变形试验验证了有限元分析的正确性;最后通过阻尼器性能试验提出了连续型的阻尼力计算模型,一种适合于实际工程应用的摩擦阻尼力模型.提出的新型压电摩擦阻尼器构造简单,阻尼力调节方便,响应速度快,特别是便于进一步增大阻尼力调节倍数,能够较大地推动压电阻尼器实用化进程.     

高速铁路大跨连续梁桥减隔震方案讨论

针对某铁路大跨连续梁桥,基于3种减隔震装置,提出了4种减隔震设计方案,利用非线性时程分析法对每种方案进行了计算分析。结果表明,液体粘滞阻尼器可有效改善桥梁纵向的受力和位移;双曲面球型减隔震支座能同时改善桥梁纵、横向的受力,但位移较大;液体阻尼器与双曲面减隔震支座配合使用可同时改善结构的纵、横受力,并且可控制位移;铅芯阻尼器耗能效果显著,位移基本可控,应继续开展研究。     

大跨铁路钢桁连续梁桥减隔震方案比较研究

为研究适用于大跨铁路钢桁连续梁桥的减隔震方案及合理优化参数,以一座全长504 m的三跨铁路钢桁连续梁特大桥为工程背景,使用非线性结构分析软件SAP2000建立有限元模型,采用快速非线性分析方法分析对比摩擦摆、阻尼器、速度锁定器等减隔震方案在各种装置参数下的减震效率。研究表明:由于大跨铁路钢桁连续梁桥墩身自振导致的地震力较大,摩擦摆方案内力减震效率一般,同时墩底内力对滑动面半径变化并不敏感,在选取滑动半径时应更多地考虑行车平顺性和梁端位移值的限制。速度锁定器会极大地增加此类桥梁地震输入能量,不适用于此类桥型。阻尼器方案对活动墩内力减震效果明显,但不能有效降低固定墩内力。摩擦摆支座附加阻尼器组合减震方案能有效控制此类桥梁的内力和位移响应。研究结论可为大跨度钢桁连续梁桥减隔震设计提供参考。     

滑动摩擦隔震桥梁振动台试验研究

滑动摩擦隔震支座具有良好的耗能能力、较大水平位移能力和较好的耐久性能,为桥梁减隔震设计提供了一种新方法。本文针对分别安装有单球面摩擦摆支座、双凹面摩擦摆支座、多球面滑动摩擦支座的3种隔震桥梁模型开展了振动台试验研究。通过观察和量测模型桥梁位移、加速度等反应,得出采用3种滑动摩擦支座的隔震桥梁反应特性和隔震效果。由此可知,滑动摩擦隔震支座能有效减小地震对桥梁上部结构的影响,滑动摩擦隔震支座的自振周期与桥梁上部结构无关,只与支座摩擦系数和等效曲率半径相关。     

铅芯支座力学参数对梁桥地震响应的影响

应用减隔震支座进行连续梁桥的抗震设计时,可通过支座参数的合理选择实现结构的抗震性能优化。针对一工程实例,进行系统的有限元仿真分析,研究铅芯橡胶支座设计参数优化问题。数值计算结果表明,铅芯橡胶支座的屈服强度对结构的内力和位移响应有较大影响;结构的内力和位移响应的降低与支座耗能率相关,其最大响应值随耗能率的增大而有不同程度的减小。建议根据支座耗能率进行隔震梁桥的支座参数优化,实现内力和位移响应量的同时降低。     

设置负刚度装置的大跨长联连续梁桥地震反应分析

为完善大跨长联连续梁桥的减震和隔震技术,提出将负刚度装置引入某带有摩擦摆支座隔震的大跨长联连续梁桥中组成新型减震和隔震系统.基于CSIBridge软件建立全桥有限元模型,负刚度装置采用弹性多段线模拟,摩擦摆支座采用双线性恢复力模型,输入7条地震波进行了非线性时程分析,考查了新型减震和隔震系统下桥梁结构的地震反应,探究了...     

巨-子结构智能隔震体系抗震性能研究

针对巨-子结构隔震体系,在隔震层处或子结构顶部与主结构连接处,施加SMA-压电智能复合阻尼器,从而形成巨-子结构智能隔震体系。本文通过限界Hrovat最优控制算法设计了巨-子结构智能隔震体系的半主动控制器,在此基础上,对巨-子结构智能隔震体系进行了Simulink控制效果仿真分析,同时比较了控制装置安装位置的不同对结构控制效果的影响,并与普通隔震结构的减震效果进行了对比。研究结果表明,智能隔震控制1（隔震层加控制装置）和智能隔震控制2（子结构顶部加控制装置）2种控制方案在控制结构的位移方面效果相差不大。总体而言,智能隔震控制2对于控制子结构单元顶部的绝对加速度效果更为显著,但是相对于普通隔震而言,特别是在控制隔震层位移方面2种方案都具有较好的控制效果。实施智能控制可以有效改善巨-子结构被动控制体系的抗震性能,并能降低隔震结构在遭受强震时由于隔震层出现过大位移导致结构倾覆的危险。     

罕遇地震下村镇建筑复合隔震系统的地震响应特征及设计参数

为研究罕遇地震下复合隔震村镇建筑的地震响应特征及设计参数,采用ABAQUS有限元软件建立了复合隔震结构、滑移隔震结构、砂垫层隔震结构以及传统的砌体结构四种模型,通过对比4种模型在不同滑移层摩擦系数及不同地震烈度下的加速度、位移及底部剪力等动力响应差异,得出复合隔震体系的地震响应特征及主要设计参数。结果表明:复合隔震体系具有最优的隔震效果,且滑移层摩擦系数越小,地震烈度越大,隔震效果越好。根据预设40%隔震率的要求,确定出不同抗震设防烈度区的滑移层摩擦系数取值范围。     

A parametric study of seismic behavior of roller seismic isolation bearings for highway bridges

A roller seismic isolation bearing is proposed for use in highway bridges. The bearing utilizes a rolling mechanism to achieve seismic isolation and has a zero post‐elastic stiffness under horizontal ground motions, a self‐centering capability, and unique friction devices for supplemental energy dissipation. The objectives of this research are to investigate the seismic behavior of the proposed bearing using parametric studies (1) with nonlinear response history analysis and (2) with equivalent linear analysis according to the AASHTO guide specifications, and by comparing the results from both analysis methods (3) to evaluate the accuracy of the AASHTO equivalent linear method for predicting the peak displacement of the proposed bearing during an earthquake. Twenty‐eight ground motions are used in the studies. The parameters examined are the sloping angle of the intermediate plate of the bearing, the amount of friction force for supplemental energy dissipation, and the peak ground acceleration levels of the ground motions. The peak displacement and base shear of the bearing are calculated. Results of the studies show that a larger sloping angle does not reduce the peak displacement for most of the parametric combinations without friction devices. However, for parametric combinations with friction devices, it allows for the use of a higher friction force, which effectively reduces the peak displacement, while keeping a self‐centering capability. The AASHTO equivalent linear method may underestimate the peak displacement by as much as 40%. Vertical ground motions have little effect on the peak displacement, but significantly increase the peak base shear. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

新型摩擦“塑性铰”构造的抗震性能研究

提出了一种安全性高、成本低的新型摩擦"塑性铰"构造的概念和几何设计,以实现精准耗能和大震可修的延性设计抗震目标。以钢结构梁柱延性节点的设计理论为基础,推导了该构造的力学性能理论和工作机制,并应用于钢框架结构进行了静力弹塑性分析。通过ABAQUS有限元软件建立了5个工况的数值分析模型,进行了有限元模型的循环往复位移荷载分析,探究了新型摩擦"塑性铰"构造的抗震性能。结果表明:该构造模型仅发生了抗剪螺栓的剪切破坏,可实现其精准耗能和结构的快速修复;具有较好的转动性能,满足层间位移角要求;摩擦耗能随着旋转加载螺栓预应力和摩擦系数的增大而增大,其滞回曲线较饱满,延性系数较大,具有较好的抗震性能;理论分析和有限元分析的承载力基本吻合,分别为15.92 kN、15.84 kN;抗剪螺栓的剪切和纯摩擦耗能两阶段的等效粘滞阻尼系数分别为0.318、0.671,纯摩擦耗能阶段的耗能能力较好。在钢框架中摩擦"塑性铰"的形成与发展符合抗震性能要求,Pushover分析可作为结构抗震性能评估的有效方式。     

新型低损伤自复位混凝土框架节点试验及性能优化研究

提出一种带可更换软钢阻尼器的低损伤自复预制混凝土(LDSCPC)框架节点,并针对该节点在地震作用下的抗震性能、更换阻尼器后的性能恢复等开展足尺试件的拟静力试验。在节点试验基础上,基于ABAQUS精细化有限元模型进行该节点关于螺栓预紧力、水平和竖向耗能条尺寸的参数化分析及优化设计。研究表明,软钢阻尼器LT12的滞回特性和承载能力是最优异的,而LT14是耗能最好的;增加阻尼器耗能条的尺寸和厚度能分别提高LDSCPC框架节点在加载早期和变形较大时的耗能性能。较大的螺栓预紧力能明显提升LDSCPC框架节点的耗能能力,当预紧力为155 kN时,软钢阻尼器几乎达到理想的耗能性能。     

基于磁悬浮理论的自适应抗拔摩擦摆隔震支座力学性能研究

为解决摩擦摆隔震支座抗拔能力不足的问题并优化其隔震性能,将传统的摩擦摆支座(FPB)和半主动控制思想相结合,提出一种自适应磁悬浮抗拔摩擦摆隔震支座(AMFPB)。基于磁路理论进行理论分析,推导出U型电磁铁的电磁力公式,以及AMFPB刚度、周期和等效阻尼比计算公式;对U型电磁铁进行位移-电磁力试验分析,建立AMFPB有限元模型,并对不同位移幅值、不同电磁铁匝数和输入电流下支座的滞回特性和抗拔性能进行分析。研究结果表明：U型电磁铁的位移-电磁力试验结果与理论结果吻合度较好,计算得到的AMFPB滞回曲线与数值模拟结果基本相同。AMFPB随滑动位移的增加可调节自身的刚度及耗能,有利于支座位移的控制。