文摘

摩擦行为是一种阻尼机制用于民用建筑。它与传统的粘滞阻尼经常在一起工作。滚动摩擦作用是非线性的,其扩展过程中振动台模型试验是怀疑,特别是在案件的工作结合传统的粘滞阻尼器。为了解决这个问题,一个简化的粘性摩擦damper-Coulomb基础隔震系统的数值模型是按比例缩小的。缩放和原型模型之间的比较结果显示两个重要因素影响滚动摩擦行为的比例。一个因素是任何范围重力加速度,结果在一个不利的摩擦力和扩展模型的地震反应。这些不良地震反应可以提高通过改变摩擦系数修正的上述不良摩擦力动态方程。另一个因素是摩擦的变化空间,导致不良按比例缩小的地震反应。这些不良地震反应可以改善通过移动变量摩擦部位接触表面的比例大小。上述两个因素的影响可以通过增加削弱了传统的粘滞阻尼组件和地震强度。

1。介绍

滚动和滑动摩擦设备已广泛应用于民用建筑的地震隔离。这些摩擦设备是简单的(1),但有一个加速度隔离50 - 90%的效率(2]。伊斯梅尔和卡萨斯发明了一种roll-n-cage (RNC)设备(3)保护桥梁结构断层附近(4,5]。王、黄等。6)和Guerreiro et al。7)用一个倾斜的multiroller分离设备和装置结构在地震光。Jangid Londhe使用椭圆棒(8)或滚动rod-spring设备(9)降低整个建筑结构的地震残余位移,而崔(10)使用阻尼球隔离地震期间只有一幢楼。美国等滑动摩擦轴承、摩擦摆系统(11)和欧洲的曲面滑块(12,13),用于支持大跨度桥梁、沉重的建筑,和液体储罐和位移能力超过1米。这些滑动摩擦轴承有许多优点,包括高承载力、位移能力大,耐久性好,满意的重定位,和变量固有振动周期控制的半径。然而,滑动半径隐含的垂直振动隔离水平地震时结构。欧洲和美国摩擦摆系统和曲面滑块并不适用于结构敏感的垂直振动。

振动台模型试验被广泛用于提高这些设备和他们的应用程序。由于相对小的负载能力常见摇表、光结构和隔离装置可以直接使用原型模型进行分析,而重型结构和隔离设备必须使用在振动台测试中按比例缩小的模型。摩擦作用是非线性的,其扩展过程中振动台模型试验被广泛怀疑。有必要进行数值分析这类问题之前可以开发一个实际的振动台模型试验。然而,数值分析还需要解决以下问题。

第一个问题是可以数值方法预测friction-based隔离系统的地震反应吗?哈维和加文发现,单轴数值模型无法预测的混沌响应four-bowl支持系统(14]。但是,后来他们发现即使是降维数值模型被验证为正确的与测试结果相比(15),当所有的初始条件是充分考虑16]。奥尔蒂斯等人还发现,数值结果可能接近滚动轴承的实验结果支持建设(17]。Ou et al。18和李et al。19)发现了一个数值方法,不同于AASHTO(美国州国家公路运输官员协会),预测滚子轴承用于公路桥梁的抗震性能。最上面的引用识别,数值方法是一个有效的工具,至少在预测库仑摩擦系统的地震反应。

第二个问题是什么样的摩擦可以通过数值分析的方法分析了吗?滚动摩擦的摩擦系数极小值(20.),而滑动摩擦有较大的值(21]。然而,超级润滑技术还可以滑动摩擦系数降低到一个很小的值,比如0.001 [22]。然而,摩擦系数并非常数,但在空间或时间的变化(23,24]。滚动摩擦动作,改变只在空间,是库仑摩擦,容易通过一个数值模拟模型(25,26]。对滑动摩擦行动改变随着时间的推移,热力学、滑动速度、接触压力,伤害,和其他因素必须考虑来确定变量接触表面的摩擦系数(27,28]。数值模拟这些复杂的滑动摩擦是不正确的行为通过使用库仑摩擦模型。在实践中,滚动摩擦是地震工程中广泛使用的隔离机制。因此,本文分析了滚动摩擦,当与库仑摩擦模型模拟。

第三个问题是摩擦的动作可以相当于传统的粘性阻尼器吗?尽管传统的动力学方程通常假定所有能量耗散组件的简单的粘滞阻尼器,其机制是不同的。例如,摩擦行动不仅浪费能源,而且还锁着的相对运动。然而,一般粘性阻尼耗散的能量更有效地在地震但没有阻碍的重定位结构在地震后由Sorace似动力测试和Terenzi29日]。钟和花王et al。30.)发现,没有太多的能量耗散在确定最优阻尼组件。然而,粘滞阻尼器通常需要添加减少地震位移响应,当一个小摩擦系数采用隔离地震能量。因此,摩擦作用和粘性阻尼器应该模拟,分别,当他们一起工作。例如,Sorace和Terenzi31日)严格模拟摩擦接触和粘滞阻尼器在混凝土建筑,并使用粘性组件成功改造结构。

第四个问题是所有的因素确定摩擦力可以严格了吗?的因素包括摩擦系数和结构重力(32]。当摩擦系数是一个无量纲的量,它不需要在理论上。然而,不同的摩擦系数总是分布在接触表面的长度,它被描述为库仑摩擦变化空间在第二个问题33]。有一个新的问题:应该的位置具体摩擦系数与接触表面的扩展长度吗?另一个因素是,结构重力无法共同摇表(扩展34]。虽然外部酒吧被等同于规模结构重力通过添加预应力力,力改变了在一个动态测试(35]。

前三个问题回答;然而,第四个问题需要研究。研究第四个问题,一个简化的粘性摩擦damper-Coulomb基础隔震系统是通过加入一个滚动动作和粘性阻尼器。滚动动作可以隔离和消散地震能量在地震。进一步减少结构相对位移,增加了粘滞阻尼器对库仑摩擦系统消散地震能量更有效地在接触表面的中心。前三个问题的答案的基础上,本文的第四个问题解决,通过数值扩展简化粘性摩擦damper-Coulomb基础隔震系统。按比例缩小的模型的结果与原型模型的比较。比较结果提供答案如何规模摩擦分布不均和结构重力,第四个问题。

2。粘性Damper-Coulomb摩擦模型和计算

2.1。结构模型

图1显示了一个粘性damper-Coulomb摩擦隔振系统。线性粘性阻尼器有粘性阻尼常数 ,滚动摩擦的库仑fricion系数 ,质量和结构 。 和 , 和 ,和和被定义为绝对加速度、速度和位移的地面和结构,分别。和所表达的结构动态特性方程 。

平面上的滚动动作可以隔离在地震和地震能量可以避免结构垂直振动的情况下使用美国和欧洲的曲面滑块摩擦摆系统。当隔离结构由于滚动操作,滚动摩擦预计消散地震能量,以避免太大位移相对于地面。然而,一个大的相对位移总是存在,如果只有滚动摩擦消散地震能量的接口。需要添加一个粘性阻尼器系统,如图1。粘性阻尼器可以消散地震能量更有效,特别是在大的相对速度周围发生的接触表面的中心。大部分地震能量消散后围绕中心接触表面的粘滞阻尼器,剩余能量运动由滚动摩擦不断消散。因此,结构相对位移的粘性摩擦damper-Coulomb隔离系统将小得多比库仑摩擦隔离系统。

在图1,孤立的结构描述为一个单自由度系统,以避免高阶振动模态的影响在本文的研究主题22]。它的质量将是300吨。阻尼常数C只是认为是100和200 kN·s / m,分别。等效阻尼比小于25%,如果结构固有振动时间小于4.5秒。理论上,粘性阻尼力 ,在哪里是相对速度和α阻尼指数。α通常采用的一般范围0.1∼2和0.1∼0.5的值。然而,α摘要暂时作为1.0,因此,方程被简化为 。简化可以减轻粘滞阻尼器的复杂扩展的影响,本文的研究主题。

基于在引言中讨论,本文只考虑库仑摩擦变化空间。滚动摩擦系数取决于材料的刚度在平坦的接触表面。常见的合金材料变得柔软时,滚动摩擦系数从0.005增加到0.5。在图1,六个凹摩擦分布设置,通过假设使用软合金材料辊轧制时远离初始位置。凹分布式摩擦力验证提高地震隔离效率(26]。在凹摩擦分布,摩擦系数的最小值在中央位置,增加结构相对于中心位置移动。摩擦系数增量每米被定义为增量比率和假设0,0.01,0.02,0.03,0.04,和0.05米⁻¹,分别。

在上面的6个凹摩擦分布中,分布格局存在一个统一的摩擦 ,并进一步分为三种情况考虑接触表面的摩擦系数变化,如图2:(1)案例1被认为是一个绝对统一的摩擦力分布和摩擦变异系数为0。这意味着合金材料是相同的在任何平面接触表面上的不同位置。这绝对是一个理想或不可能的情况。(2)案例2被认为是一种稍不均匀分布在一个构建良好的接触表面摩擦。摩擦系数的变化范围−0.001∼0.001和0.005的平均价值。当不同的摩擦系数在平面接触表面上的不同位置与平均值相比,摩擦系数的标准差是0.000815。因此,摩擦在空间变异系数是0.000815/0.005 = 0.163。它意味着合金材料在平面接触表面上的不同位置不同。(3)案例3被认为是类似的非均匀摩擦分布情况2但相对简陋的接触表面。摩擦在空间变异系数增加到0.002355/0.005 = 0.471,因为摩擦系数的变化范围大−0.004∼0.004,平均值为0.005,标准差为0.002355。这意味着合金材料是相当不同的平面接触表面上的不同位置。

2.2。地面运动

在图3,一位中国地震频谱(JTJ 004 - 89) (36]假定作为目标频谱的粘性damper-Coulomb摩擦系统。这个目标是和谐的平均频谱的20地面运动,选择和扩展从太平洋地震工程研究中心数据库。选择后,两个进程进行这些20地面运动:(1)一些扩展因素是用来改变平均频谱的PGA 0.05, 0.1, 0.2, 0.4,和0.8 g。20的地面运动是缩放的地面运动输入原型模型,通过使用相同的比例因子。(2)扩展因素表1和2然后使用进一步规模的持续时间和PGA上面的地面运动。这些进一步扩大地面运动输入粘性damper-Coulomb摩擦系统的按比例缩小的模型。

2.3。缩放数值模型

量纲分析(37“方程”中描述),列在表中1和2用于规模结构参数,数值模拟振动台试验。表1和2分别有7尺度,包括原型和按比例缩小的模型。表中按比例缩小的模型1采用相同的密度原型模型,而在表2鳞片密度满足振动台的负载能力。然而,密度意味着一个积极或消极的额外质量扩展添加到按比例缩小的模型。

正如简介中所讨论的,重力加速度在理论上可伸缩的但不能在实践中严格按比例缩小的。们重力加速度会导致一个不正确的重力在振动台试验,这将影响比例模型的地震反应。因此,扩展和任何范围重力加速度是本文及其扩展因素列出行“重力加速度1”和“重力加速度2”,在表1和2,分别。们重力加速度是用来研究重力失真的因素影响滚动摩擦行为的比例,而扩展对应用于研究在其他影响因素的假设可伸缩的重力加速度。

2.4。病例和方法计算

有40000计算情况下的考虑每一个可能的组合结构质量,2阻尼常数,8摩擦分布,25个模型尺度和20用5种不同的PGA地面运动记录。

上述情况下计算使用休闲计算机程序。在计算机程序中,和 , 和 ,和和是绝对加速度、速度和位移的地面和结构,分别。两种不同的运动情况下定义基于之间的比较和 :(1) 或表明结构移动较慢或快于地上,有一个惯性的力量 。(2) 暗示与结构相同的速度和加速度。这是一个临时的运动状态,接下来的运动状态是预测进行比较和如下:①当 ,惯性力量太小,触发结构相对运动,和结构仍与相同的速度和加速度②当 ,惯性力太大,有一个相对构造运动,和惯性力的价值

例(1)和(2)②被定义为滚动状态,和孤立结构受到的力 。Euler-Gauss方法基础上,之间的关系结构加速度,速度,位移可以很容易获得。最后,构造运动在接下来的时间可以计算基于之前的时间。当 和(和是地面运动时间)、例(1)和(2)(2)①②将转换情况。

(2)①被定义为nonrolling状态,和结构瞬时运动是一样的。因此,它可以很容易地获得。当 ,(2)①将转换为例(1)和(2)②。

按比例缩小的模型的地震反应计算返回的原型模型错误。这些错误被返回的响应的比值评价原型的直接响应计算模型。这些比率被定义为返回的比率(RR)方程(1),它被用来分析扩展摩擦影响的数值模拟振动台测试:

大量的结构加速度响应率(ARR),相对速度反应比率(RVRR),相对位移响应率(相对DRR)和残余位移响应率(残余DRR)获得基于方程(1)。只列出常见的结果和在以下部分中讨论。

3所示。结果与按比例缩小的重力和没有按比例缩小的密度

3.1。例绝对统一的摩擦力分布

本节分析返回的比率,由方程(1),最理想化的制服摩擦案例1图2。按比例缩小的模型采用原型结构和理论上的密度了重力加速度的行“重力加速度1”表1。没有重力失真的按比例缩小的模型。

当摩擦均匀分布( )结合粘性阻尼器有吗C= 100 kN·s / m,比率RR在图4接近1.0。最大的错误存在一些结构性的残余位移比(残余DRR);然而,这些是可以接受的,因为他们是不到20%。因为很难预测地震荷载,地震荷载作用远远大于其他的错误一般土木工程加载行为。因此,20%被设置为地震工程容许误差的限制。

未上市的比率,RR,其他制服摩擦分布的情况下,结合不同的阻尼常数C,几乎有相同的规则如上的情况。不同的阻尼常数C没有明显的影响比率RR最理想化的制服摩擦案例1图2。即返回的响应值按比例缩小的模型可以代表原型模型的响应。

尽管摩擦非线性,规模理论仍适用于均匀分布情况下的摩擦与粘性阻尼器相结合。

3.2。例摩擦变化

上面均匀分布情况下的摩擦并不是真正的在实践中。真正的摩擦力分布的摩擦系数变化的空间,如在图2和图3中2。

返回的比率RR的情况下,由结合摩擦分布不均的情况下在图32与阻尼常数C= 100 kN·s / m,如图所示5。是相同的值作为上述部分,密度为按比例缩小的模型,而不是按比例缩小的重力加速度是完全按比例缩小的。然而,有一个很大的分布范围为返回的比率RR,这显然是不同的,在上面的部分。RR,更准确地说,分布范围的比例结构的加速度、相对速度和相对残余位移,就先后更广泛。这意味着响应返回的按比例缩小的模型不能表示原型模型的反应时,在太空中摩擦是一个相当大的变化。

这些返回的比率RR,包括病例在图2和图32结合阻尼常数和200 kN·s / m,在表中做了总结3。这些比率RR的分布范围变得更广泛的摩擦变异系数增加;然而,它变得不那么阻尼常数的增加C。后者规则是案例3更明显,更可观的摩擦的变化空间。原因是摩擦和能量耗散的粘性阻尼有相同的功能(33),增加阻尼常数减少摩擦的影响变化的能量耗散和地震响应。

减少上述返回错误,需要做更多的工作为扩展摩擦的变化空间。作为一个摩擦系数对应于一个特定的位置,每个位置移动,缩放的摩擦接触表面。这额外的工作后,返回的比率RR相关情况图5如图6。

返回的比率RR在图6比这更接近1.0图吗5,除了一些特殊点的结构残余位移。这些特殊点的原因是,分母的方程(1结构残余位移)太小了,和一个小分子和分母之间的绝对差会导致一个更大的返回率RR。大多数返回的比率RR在图6意味着返回的响应值按比例缩小的模型可以表示的反应与摩擦的变化空间的原型模型。然而,它需要额外的工作,如前所述。

可以指出,这种摩擦扩展过程进行了凹摩擦分布情况图1中列出的缩放参数,行“摩擦增量比率”,在桌子上1。相应的返回率RR,由方程(1),几乎是接近1.0,除了一些特殊点的结构残余位移,与绝对值低很多。这些相应的数据,类似于图6由于空间限制,这里没有列出。

4所示。结果与按比例缩小的重力和密度

上面的部分采用表中提到的缩放因子1;然而,本节将使用扩展表中列出的因素2。按比例缩小的模型的密度是一样的原型模型在表1但在表2。本节严格尺度重力加速度以同样的方式作为已经完成在上面的部分。

计算病例和返回的比率RR分布几乎是一样的,在上面的部分。本节不列表和讨论这些类似的结果。

5。结果没有了重力和没有按比例缩小的密度

5.1。情况下没有摩擦规模

本节分析返回的比率,由方程(1),最理想化的制服摩擦案例1图2。按比例缩小的模型采用原型结构和任何范围的密度重力加速度的行“重力加速度2”表1。按比例缩小的模型重力失真模型。

被类似于前一节一节,粘性damper-Coulomb摩擦系统通过结合统一摩擦分布( )与C= 100 kN·s / m。它的原型和按比例缩小的模型进行了数值分析。返回的比率,从数值计算结果根据方程(1),如图7。

在图7(一),返回的比率ARR低估了。们的原因是,重力加速度扩展模型的低估,低估了比率只是模型规模与理论值相比。这低估了重力加速度减少了加速度按比例缩小的模型。

在图7(一),PGA扩大相对的增加速度和这个词 。因此,它减少了低估了重力加速度的影响按比例缩小的模型。它进一步增加至1.0趋势的ARR返回的比率。

这一趋势进一步增加比率RVRR图返回的低估7 (b)当PGA增加。

上面基于同样的原因,有一个更大的分布范围为返回的比率“相对DRR”和“剩余DRR”数据7 (c)和7 (d),分别。当PGA增加时,返回的比率“相对DRR”图7 (c)趋势,至1.0;然而,返回的比率“剩余DRR”图7 (d)不规则变化。

最后,其他摩擦分布情况下包括凹模式,结合不同的阻尼常数C,进行了数值分析。太多的价值观和类似的现象得到了但并没有列出返回的比率。

总而言之,重力失真导致地震响应错误按比例缩小的模型。然而,这些错误可以减少增加或PGA和阻尼常数。

5.2。例摩擦规模

结构重力无法攀登上常见的摇表(34]。虽然外部酒吧提出同样规模结构重力通过添加一个预应力力,力改变一个动态测试中被发现(35]。新方法提供了一个解决问题的办法。

在上面的引力畸变模型,重力加速度被低估了,而摩擦系数保持整个学期可以增加吗合理的比例。随后,结构加速度和其他反应是严格计算按比例缩小的模型。但未列出计算结果表明,返回的比率RR,由方程(1),接近1.0。

6。结果没有了重力和密度

6.1。情况下没有摩擦规模

本节分析返回的比率,由方程(1),最优的制服摩擦案例1图2。按比例缩小的模型采用了密度和们行“重力加速度2”的重力加速度,在桌子上2。按比例缩小的模型重力失真模型类似于前一节。

按比例缩小的模型原型模型的阻尼常数C= 100 kN·s / m进行了数值分析。返回的比率RR,从数值计算结果根据方程(1),如图8。

图8(一个)表明结构的加速度响应模型低估或高估了。们的原因是,重力加速度按比例缩小的模型低估或高估了,这错估重力加速度进一步加速会导致错误按比例缩小的模型。

在图8(一个),PGA扩大相对的增加速度和这个词 。因此,它减少了错估重力加速度的影响按比例缩小的模型。这进一步使返回的比率ARR接近1.0。

返回的比率RVRR和“相对DRR”数据8 (b)和8 (c)更接近1.0当PGA增加。它是类似于前一节。然而,返回的比率“剩余DRR”图8 (d)不规则变化。

图8显示一个返回的比率ARR的特例,RVRR,“相对DRR”和“剩余DRR”总是接近1.0的模型规模1:10。原因是理论加速度规模1.225接近1.0表2,重力失真效应减弱为模型规模1:10。这意味着密度、大小和其他参数尺度可以调整削弱甚至避免重力失真效应。

最后,其他摩擦分布情况下包括凹模式,结合不同的阻尼常数C,进行了数值分析。类似于前一节中,重力失真导致的地震响应错误按比例缩小的模型。然而,这些错误是减少增加第二项结构的加速度 ,即。,increasing the damping constantC或职业。

6.2。例摩擦规模

第一项结构加速度严格按比例缩小的,适当调整摩擦系数抵消错估重力加速度 。太多的未上市的结果表明,返回的比率RR为任何计算情况下总是接近1.0。

7所示。结论

滚动动作可以隔离和消散地震能量在地震。进一步减少结构相对位移,增加了粘滞阻尼器对库仑摩擦系统消散地震能量更有效地在接触表面的中心。粘性damper-Coulomb摩擦系统扩展的数值模拟振动台试验。按比例缩小的模型和原型模型的地震反应进行了比较。扩展摩擦效果总结如下:(1)重力失真导致地震响应错误按比例缩小的模型。原因是重力扭曲导致了摩擦力和其他不良反应。给出了两种解决方案的问题:①改变摩擦系数调整摩擦力;②密度、大小和其他参数尺度调整使重力加速度规模仅为1.0。(2)摩擦空间的变化也会导致地震响应错误按比例缩小的模型。原因是接触表面扩展,而摩擦力分布不是按比例缩小的。给出了一个解决问题的办法:特定的位置摩擦系数与接触表面的扩展长度。(3)上述重力变形的影响程度和空间摩擦变化削弱了通过增加PGA或粘滞阻尼常数。有必要解释一下上面的解决方案都是只对库仑摩擦效率。当时变摩擦的解决方案,是按比例缩小的,需要进一步的研究。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。数据包括结构参数、地面运动输入、计算方法和计算结果。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金会共同支持格兰特号。51778635和51778635下,下的湖南省自然科学基金批准号2019 jj40386位移限制技术的研究项目通过铁路拱桥下批准号science2018 - 81,四川省科技项目批准号下2019 yfg0048,徐州科技项目批准号201718年,江苏省住房和城乡建设部工程部门批准号2017 zd012。上面的支持我将非常感谢。