【摘要】：近些年來我國空間結(jié)構(gòu)抗震研究也經(jīng)歷了從無到有、從量變到質(zhì)變的飛躍。隨著大跨空間結(jié)構(gòu)分析理論和隔震技術(shù)的發(fā)展，從隔震系統(tǒng)的理論研究到各種隔震系統(tǒng)在各類工程中應(yīng)用是一個很大發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】：大跨空間結(jié)構(gòu)；摩擦擺隔震支座；工程應(yīng)用

摩擦擺隔震支座是基礎(chǔ)隔震的一種，基礎(chǔ)隔震可分為橡膠墊基礎(chǔ)、滑移基礎(chǔ)隔震和混合基礎(chǔ)隔震等多類。各類基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的性態(tài)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(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的聯(lián)系，改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力特性，避免共振或者接近共振現(xiàn)象的發(fā)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(xiàn)狀

摩擦擺系統(tǒng)（Friction Pendulum System：FPS）是由Zayas于1985年提出的一種隔震系統(tǒng)，該系統(tǒng)特有的圓弧滑動面使其具有自動復(fù)位機制和良好的振動穩(wěn)定性，且便于制作在工程中的實現(xiàn)。摩擦擺系統(tǒng)（Friction Pendulum System：FPS）通常設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)與其支撐結(jié)構(gòu)之間，通過支座內(nèi)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(xiàn)主體結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的有效控制。摩擦擺支座已經(jīng)應(yīng)用到了實際的工程中，并經(jīng)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(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，這樣可以延長結(jié)構(gòu)的自振周期，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減小。同時，結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)過程中大變形主要集中在摩擦擺支座處，而上部結(jié)構(gòu)本身的相對變形較小，此時可以近似認為上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)重量影響，除具有一般平面滑動隔震系統(tǒng)的特點外，還具有良好的穩(wěn)定性、復(fù)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(gòu)和限位復(fù)位的阻尼向心機構(gòu)組成。而傳統(tǒng)的平面滑移系統(tǒng)則不能自動復(fù)位需要另設(shè)復(fù)位系統(tǒng)，而且滑動離散性比較大，有時可能導(dǎo)致穿越隔震層的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，甚至可能發(fā)生滑移失穩(wěn)，這極大的阻礙了摩擦滑移隔震的發(fā)展。為解決傳統(tǒng)平面滑移系統(tǒng)不能自動復(fù)位這個問題，Zayas等人對其進行改進，于1985年在美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了摩擦擺隔震裝置，稱之為摩擦擺系統(tǒng)/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(jié)構(gòu)體系中，主要研究了FPS動力參數(shù)對鋼筋混凝土巨型框架多功能減震結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響，并得出結(jié)論：（1）摩擦系數(shù)是FPS隔震支座最為主要的動力參數(shù)之一，過大的摩擦系數(shù)將會產(chǎn)生過大的水平慣性力，這對主框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)是不利的。在鋼筋混凝土巨型框架多功能減震結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用過程中，應(yīng)盡量采用摩擦系數(shù)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(shù)，R值越大，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)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(yīng)盡量采用R值較大的產(chǎn)品。

趙偉針對現(xiàn)有摩擦擺支座不能隔離豎向地震作用的缺點，設(shè)計了一種抗拔摩擦擺隔震支座，建立了相應(yīng)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(yīng)用到球面網(wǎng)殼中，通過改變摩擦擺支座的摩擦系數(shù)和滑道半徑，對一個單層球面網(wǎng)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(shù)和滑道半徑等支座參數(shù)對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(gòu)造的豎向抗拔摩擦擺支座并對其力學(xué)性能進行了有限元模擬和試驗分析。得出了兩者結(jié)果比較一致，并驗證了支座的摩擦系數(shù)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(xù)橋梁，對比了在墩高、支座半徑、支座屈服強度系數(shù)等參數(shù)變化的情況下，考慮和忽略FPS支座恢復(fù)力的雙向耦合作用時橋梁的非線性時程響應(yīng)結(jié)果。證明支座恢復(fù)力的雙向耦合相互作用對隔震橋梁的地震響應(yīng)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(dǎo)出摩擦擺隔震支座在變曲率下的剛度和最大殘余應(yīng)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(shù)更大.（2）曲面函數(shù)決定變曲率支座剛度，通過改變曲面函數(shù)可以改變支座剛度，從而達到改變結(jié)構(gòu)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(shù)和摩擦系數(shù)共同決定。

巫煒推導(dǎo)反應(yīng)摩擦擺水平和豎向振動耦合的非線性微分方程，并據(jù)此編制非線性動力分析程序，分析了豎向地震激勵下結(jié)構(gòu)和支座響應(yīng)，并分析了隔震參數(shù)與上部質(zhì)量比，對隔震效果的影響。

2、摩擦擺隔震支座工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，摩擦擺隔震系統(tǒng)已在國內(nèi)外大跨結(jié)構(gòu)隔震方面得到了廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)可側(cè)向移508mm，降低70%的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(jié)：

結(jié)構(gòu)振動控制的工程應(yīng)用在過去的多年中在國內(nèi)外有了較大的發(fā)展，在理論方面，成功地借鑒了其他領(lǐng)域中的控制理論，為結(jié)構(gòu)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(yīng)用具有理論依據(jù)。

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.

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[3]潘克君.豎向抗拔摩擦擺支座的參數(shù)設(shè)計與性能試驗研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]吳陶晶，李建中，管仲國.雙向耦合效應(yīng)對FPS隔震橋梁地震響應(yīng)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(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011：50-58.