耗能支座在不同建筑结构中的对比实验

【摘要】耗能支座是指在地震来临时，能够通过支座本身的减隔震性能隔离和耗散地震能量，减小地震对上部建筑结构的破坏，从而达到保护建筑和人员的安全。目前行业内有各种形式的橡胶减振支座、弹簧减振支座、摩擦摆减振支座等等，技术相对都比较成熟，下面以摩擦摆减振支座为例，通过实验的方式对比了同种形式的耗能支座在不同结构中的减振效果，供各位建筑专业做减隔震耗能的参考。

【关键词】耗能支座;摩擦摆支座;建筑结构

1、引言

本文以目前市场应用比较广的摩擦摆耗能支座为例介绍一下两种工况下的对比实验数据，并简要分析原因，给各位设计同行作为建筑结构减隔震设计的参考。

2、摩擦摆耗能支座的结构及工作原理

摩擦摆耗能支座是利用了钟摆的动能势能转化及摆动过程中的摩擦耗能原理来实现支座对建筑结构的耗散地震能量的作用。摩擦摆耗能支座的两个主要参数。一个是等效曲率半径，左边这个是理论上的纯单摆，其曲率半径就是下端滑动面的半径R。而对于一般的摩擦摆其等效曲率半径就是兩个摩擦面的圆心距。一般来说，等效曲率半径越大，结构周期越长，隔震效率越高，地震位移越大。摩擦系数在这里起到很重要的作用，而它会随着摩擦材料的不同，压力、速度的不同而变化。一般来说，摩擦系数越高，减震效率越低，阻尼比越大，地震位移越小。对于某一特定结构，存在一个最优的摩擦参数（对应最优阻尼比）。

3、摩擦摆耗能支座的实验要求

动态试验机性能：竖向加载能力20MN、动态水平力±3MN、静态水平力4MN、加载频率0-0.5Hz、位移±600mm，工作台尺寸1.5x1.5米。竖向空间尺寸最大行程1米。

摩擦摆耗能支座采用KZQZ6000KN的双曲面摩擦摆支座，最大平面尺寸1米x1米，高度0.17米。支撑架高度0.63米。总高0.8米，方便安装到试验机内。实验目的有以下两点：

a对比双曲面摩擦摆耗能支座有上部支撑架时的水平力和直接加载时的水平力的大小。

b对比支座无水浸泡凹曲面和有水浸泡凹曲面情况下的水平力大小。

4、对比实验的实验步骤

4.1 基本实验条件：

摩擦摆耗能支座及支撑架在实验室23±2°的条件下放置24小时后，加压至6000KN，预压1小时，水平加载，设定位移为±100mm。

4.2 第一次加载实验：

摩擦摆耗能支座带支撑架加载，在实验25度温度下加载到6000KN，持压1小时后，在持压状态进行水平推动，做位移量±100mm 的往复位移两次。形成剪力-位移曲线图。（见图1）

4.3 第二次加载实验：

拆掉支撑架，在实验室25度温度下对摩擦摆耗能支座单独加载到6000KN，在持压状态下进行水平推动，做位移量±100mm的往复位移两次。形成剪力-位移曲线图。（见图2）

4.4第三次加载实验：

试验机卸载后拉出支座加水，在实验室25度温度下放置24小时。之后安装摩擦摆支座到试验机上，并加载到6000KN，持压一小时后在持压状态进行水平推动做位移量±100mm的往复位移两次。形成剪力-位移曲线图。（见图3）

5、实验数据小结

5.1 带支撑架加载实验压力6000KN位移100mm时，水平力最大423KN;不带支撑架压力6000KN位移100mm时，水平力最大262KN。

5.2 不带支撑架加载实验压力6000KN位移100mm时，水平力最大262KN;不带支撑架加水加载实验压力6000KN位移100mm时，水平力最大205KN。

结语：

综合以上对比实验的实验数据可以得出以下结论：摩擦摆耗能支座直接放置在结构下部时，在设计载荷下，发生位移的初始摩擦力小于该支座通过支撑结构连接上部建筑结构时的初始摩擦力。该结果证明支撑结构因为增加了结构对耗能支座的附加力矩而增大支座的水平推力，实际支座本身的摩擦系数和水平力并未发生变化，只是体现到实验机的水平力数据为支座本身的摩擦力和支撑产生的附加力的叠加而已。对于在自然环境下浸泡过水的支座来说其摩擦系数和水平推力并未发生变化。

参考文献：

[1]周福霖著.工程结构减震控制[M].地震出版社，1997年4月（p49-51）

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[5]姚振纲，刘祖华.建筑结构试验[M].上海，同济大学出版社，1996.

[6]董石麟.我国大跨度空间钢结构的发展与展望[J].空间结构，2000，6（2）：3～13.

[7]R.克拉夫，J.彭津.结构动力学[M].北京，科学出版社，1981.

作者简介：

王立志（1979.09—），男，总工、创新中心主任、高级工程师，单位：河北省桥梁吸能装置技术创新中心。

曹琳琳（1987.06—），男，研发中心副主任，工程师，单位：衡水市橡胶总厂有限公司。

肖永明（1967.08—），男，技术部部长，助理工程师，单位：衡水市橡胶总厂有限公司。