關于摩擦擺技術的應用和分析

薛 天 瓊

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

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·結構·抗震·

關于摩擦擺技術的應用和分析

薛 天 瓊

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

介紹了摩擦擺技術的起源及研究現狀，總結了學者在這一領域的不同研究結果，分析了國內建筑結構使用摩擦擺隔震技術的必要性，最后論述了對摩擦擺技術進行革新的必要性。

摩擦擺，基礎隔震，摩擦系數，自振周期

地震災害已經成為了近年來對人類生活破壞最為嚴重的一種地質災害。從1900年以來，我國發生的7.0級以上地震就近20次，2008年5月12日發生在四川省汶川縣的8.0級大地震，其傷亡人數眾多，建筑結構破壞、倒塌嚴重讓全世界為之震驚。鑒于地震的嚴重破壞性，從很早開始人類就致力于地震的研究、地震的防預。由于地震的不確定性、突發性，直到今天我們仍然不能有效地對地震進行預測。然而即使我們能對地震進行準確地預測，不提高建筑物的抗震能力，地震來臨時仍然會造成巨大的損失。根據100多次巨大的地震災害統計，數據顯示：在地震中，90%～95%的傷亡是由于建筑物的倒塌導致。由此可見提高建筑物抗御大地震的能力，才能將地震所帶來的損失降到最小。

基礎隔震技術起源于20世紀80年代，是目前世界地震工程界推廣應用較多的成熟的高新技術之一。被美國地震專家稱之為“40年來世界地震工程最重要的成果之一，基礎隔震技術的使用使建筑在地震中不倒塌真正成為可能，使其成為減輕地震災害最有效的手段之一”。其隔震支座、阻尼器等隔震裝置，可以有效減小傳遞到上部結構的地震波，減小地震時作用于上部結構的水平力，在遭遇罕遇地震時能實現結構彈性設計，是一種經濟實用的新技術。

隨著社會的發展，特別是近年，隔震結構在地震中表現出較好的隔震效果，隔震技術得到越來越多的關注。當代的建筑結構設計過程中，已經漸漸的通過各種結構來進行地震抗災減災的工作。隔震結構是一種主要利用相關結構的布設來對地震中的能量進行吸收的抗震結構。

在地震大速度脈沖發生時，地震對結構的豎向作用造成的傷害甚至可以超過地震水平作用力，但復合三維摩擦擺在國內依然品種單一，實用性差；現有摩擦擺振動頻率單一，不能完全避免在使用過程中的共振破壞；鑒于張玉敏、蘇幼坡等人使用碟形彈簧及內部加設粘彈性阻尼器代替豎向隔震裝置的效果較為理想，葛楠等人探究了雙摩擦盤與碟形彈簧復合隔震系統在多維地震動下的隔震性能，并指出了實用的滑動摩擦系數范圍。結合二者的研究成果，提出多級變頻摩擦擺—彈簧三維復合隔震器的概念。

多級變頻摩擦擺—彈簧三維復合隔震器(MFPS)由水平多級變頻摩擦擺和豎向碟簧隔震裝置組合而成，可同時進行水平多向和豎向三維隔震，不僅實現了不同等級設防地震作用下結構的多級隔震目標，還能避免近震大速度脈沖下豎向地震對結構的破壞。

水平隔震裝置中包括水平承托構件、復位彈簧、滑移層、水平抗剪構件、水平抗拔構件和限位構件六個部分，可分解為三個獨立的摩擦擺機制，滑動關節的設計保證了該裝置的自復位能力，具有良好的穩定性，其構造和多級滑動過程如圖1所示。

該摩擦擺通過控制滑道曲率半徑和接觸面的摩擦系數，來調節隔震層的振動頻率和周期。小震時，該隔震支座在抗剪切構件的作用下保持靜止，保證隔震層與上部結構在小震(多遇地震)和風振作用下保持剛性，降低上部結構的地震響應，利用上部結構本身的抗震性能來抵抗外部荷載；中震(設防烈度地震)作用時，抗剪切構件破壞，支座開始工作，內部滑動關節和內承臺板為整體移動狀態，利用上下承臺板及二者的摩擦曲面進行擺動消能；大震(罕遇地震)作用時，內部滑動關節與內承臺板分離，在上下承臺板間開始二級滑動，對震動波進行二次消耗。相比于普通單滑動曲面摩擦擺，該變曲率多級摩擦擺的等效阻尼比更大，滯回曲線更飽滿，耗能散能效率更高，對不同級別的地震，可多次調節隔震結構的自振周期，避免近斷層地震長周期影響下易發生的低頻共振災害，在常見的地震激勵頻率范圍中擁有低敏感性和高穩定性的優點。

(1)

其中，R為擺長(曲率半徑)；μ為曲面摩擦系數；DR為支座設計位移；g為重力加速度。在不同級別的地震作用下，根據工作的不同摩擦面的曲率半徑、摩擦系數，即可算出不同級別對應的隔震系統自振周期。

本支座豎向隔震裝置主要包括設置在摩擦擺主體中間的一組主碟簧片(80 mm，兩片疊合，24組對合)及8組輔助碟簧片(40 mm，兩片疊合，48組對合)，經力學性能試驗，基本滿足設計要求，豎向阻尼比約為0.2，豎向等效剛度約為1 450 kN/m。

單片碟簧構造示意圖見圖2。

基礎隔震技術通過在建筑基礎和上部結構之間加設隔震層，在日常使用過程中能持續承受上部結構重力荷載，在地震災害發生時利用阻尼器或吸能裝置吸收能量，并改變結構基本自振周期，避開建筑所在區域的場地土卓越周期，使結構實現不依賴自身塑性變形吸收地震的能量，保證建筑中收容物在內的各種物品可正常發揮功能。本文所提到的多級變頻摩擦擺—彈簧三維復合隔震器(MFPS)不僅能夠保證隔震復位能力，不易失穩，且可以通過對摩擦面曲率半徑的控制和調整，配合控制不同滑動面的先后參與工作，使隔震層在不同烈度地震作用下，自行多級改變隔震結構自振周期，另外，該裝置的質量中心與隔震層的質量中心重合，可盡量消除上部結構的扭轉運動。

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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

薛天瓊(1993- )，女，在讀碩士

TU352.12

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