关于摩擦摆技术的应用和分析

薛 天 琼

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)



·结构·抗震·

关于摩擦摆技术的应用和分析

薛 天 琼

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

介绍了摩擦摆技术的起源及研究现状，总结了学者在这一领域的不同研究结果，分析了国内建筑结构使用摩擦摆隔震技术的必要性，最后论述了对摩擦摆技术进行革新的必要性。

摩擦摆，基础隔震，摩擦系数，自振周期

地震灾害已经成为了近年来对人类生活破坏最为严重的一种地质灾害。从1900年以来，我国发生的7.0级以上地震就近20次，2008年5月12日发生在四川省汶川县的8.0级大地震，其伤亡人数众多，建筑结构破坏、倒塌严重让全世界为之震惊。鉴于地震的严重破坏性，从很早开始人类就致力于地震的研究、地震的防预。由于地震的不确定性、突发性，直到今天我们仍然不能有效地对地震进行预测。然而即使我们能对地震进行准确地预测，不提高建筑物的抗震能力，地震来临时仍然会造成巨大的损失。根据100多次巨大的地震灾害统计，数据显示：在地震中，90%～95%的伤亡是由于建筑物的倒塌导致。由此可见提高建筑物抗御大地震的能力，才能将地震所带来的损失降到最小。

基础隔震技术起源于20世纪80年代，是目前世界地震工程界推广应用较多的成熟的高新技术之一。被美国地震专家称之为“40年来世界地震工程最重要的成果之一，基础隔震技术的使用使建筑在地震中不倒塌真正成为可能，使其成为减轻地震灾害最有效的手段之一”。其隔震支座、阻尼器等隔震装置，可以有效减小传递到上部结构的地震波，减小地震时作用于上部结构的水平力，在遭遇罕遇地震时能实现结构弹性设计，是一种经济实用的新技术。

随着社会的发展，特别是近年，隔震结构在地震中表现出较好的隔震效果，隔震技术得到越来越多的关注。当代的建筑结构设计过程中，已经渐渐的通过各种结构来进行地震抗灾减灾的工作。隔震结构是一种主要利用相关结构的布设来对地震中的能量进行吸收的抗震结构。

在地震大速度脉冲发生时，地震对结构的竖向作用造成的伤害甚至可以超过地震水平作用力，但复合三维摩擦摆在国内依然品种单一，实用性差；现有摩擦摆振动频率单一，不能完全避免在使用过程中的共振破坏；鉴于张玉敏、苏幼坡等人使用碟形弹簧及内部加设粘弹性阻尼器代替竖向隔震装置的效果较为理想，葛楠等人探究了双摩擦盘与碟形弹簧复合隔震系统在多维地震动下的隔震性能，并指出了实用的滑动摩擦系数范围。结合二者的研究成果，提出多级变频摩擦摆—弹簧三维复合隔震器的概念。

多级变频摩擦摆—弹簧三维复合隔震器(MFPS)由水平多级变频摩擦摆和竖向碟簧隔震装置组合而成，可同时进行水平多向和竖向三维隔震，不仅实现了不同等级设防地震作用下结构的多级隔震目标，还能避免近震大速度脉冲下竖向地震对结构的破坏。

水平隔震装置中包括水平承托构件、复位弹簧、滑移层、水平抗剪构件、水平抗拔构件和限位构件六个部分，可分解为三个独立的摩擦摆机制，滑动关节的设计保证了该装置的自复位能力，具有良好的稳定性，其构造和多级滑动过程如图1所示。

该摩擦摆通过控制滑道曲率半径和接触面的摩擦系数，来调节隔震层的振动频率和周期。小震时，该隔震支座在抗剪切构件的作用下保持静止，保证隔震层与上部结构在小震(多遇地震)和风振作用下保持刚性，降低上部结构的地震响应，利用上部结构本身的抗震性能来抵抗外部荷载；中震(设防烈度地震)作用时，抗剪切构件破坏，支座开始工作，内部滑动关节和内承台板为整体移动状态，利用上下承台板及二者的摩擦曲面进行摆动消能；大震(罕遇地震)作用时，内部滑动关节与内承台板分离，在上下承台板间开始二级滑动，对震动波进行二次消耗。相比于普通单滑动曲面摩擦摆，该变曲率多级摩擦摆的等效阻尼比更大，滞回曲线更饱满，耗能散能效率更高，对不同级别的地震，可多次调节隔震结构的自振周期，避免近断层地震长周期影响下易发生的低频共振灾害，在常见的地震激励频率范围中拥有低敏感性和高稳定性的优点。

(1)

其中，R为摆长(曲率半径)；μ为曲面摩擦系数；DR为支座设计位移；g为重力加速度。在不同级别的地震作用下，根据工作的不同摩擦面的曲率半径、摩擦系数，即可算出不同级别对应的隔震系统自振周期。

本支座竖向隔震装置主要包括设置在摩擦摆主体中间的一组主碟簧片(80 mm，两片叠合，24组对合)及8组辅助碟簧片(40 mm，两片叠合，48组对合)，经力学性能试验，基本满足设计要求，竖向阻尼比约为0.2，竖向等效刚度约为1 450 kN/m。

单片碟簧构造示意图见图2。

基础隔震技术通过在建筑基础和上部结构之间加设隔震层，在日常使用过程中能持续承受上部结构重力荷载，在地震灾害发生时利用阻尼器或吸能装置吸收能量，并改变结构基本自振周期，避开建筑所在区域的场地土卓越周期，使结构实现不依赖自身塑性变形吸收地震的能量，保证建筑中收容物在内的各种物品可正常发挥功能。本文所提到的多级变频摩擦摆—弹簧三维复合隔震器(MFPS)不仅能够保证隔震复位能力，不易失稳，且可以通过对摩擦面曲率半径的控制和调整，配合控制不同滑动面的先后参与工作，使隔震层在不同烈度地震作用下，自行多级改变隔震结构自振周期，另外，该装置的质量中心与隔震层的质量中心重合，可尽量消除上部结构的扭转运动。

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On application and analysis of friction pendulum technology

Xue Tianqiong

(NortheastUniversityofForestry,Harbin150000，China)

The paper introduces the origin of the friction pendulum and its research, sums up the results of the various studies by the experts, and analyzes the necessity for the friction pendulum technique in domestic architectural structures, so as to indicate the necessity for the renovation of the technique.

friction pendulum, basement seismic isolation, friction coefficient, self-vibration cycle

1009-6825(2017)09-0022-02

2017-01-19

薛天琼(1993- )，女，在读硕士

TU352.12

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