一种基于模块化圆柱螺旋弹簧的三维减振支撑创新设计

《Structures》：An innovative design of three-dimensional vibration-damping support based on modular cylindrical helical springs

　　摘要本文提出了一种三维减振隔振支座（3DVM）的创新设计，通过将模块化圆柱螺旋弹簧与叠层铅芯橡胶支座并联组合，以减缓建筑结构的竖向与水平地震振动。研究针对基础构件及集成支座开展，旨在阐明3DVM支座的设计原理与工作机理。对模块化圆柱螺旋弹簧及3DVM支座的力学性能进行了试验测试，并通过多参数优化数值计算获得了最优设计。结果表明，所提出的3DVM支座能够实现对水平与竖向运动的双向解耦控制，同时具备稳定的滞回耗能性能。具体而言，竖向力学性能主要归因于模块化圆柱螺旋弹簧，可实现556 kN的极限承载力，对应位移为45.64 mm。水平耗能主要由铅芯橡胶部件提供。在30 mm剪切位移下，等效水平阻尼比达到10.94%。极限剪切位移可达48.75 mm，且水平响应与加载频率及循环次数的依赖性极小。引言随着城市轨道交通的快速发展，地铁运营引起的竖向振动已成为邻近高层建筑面临的关键挑战。传统抗震设计主要针对水平地震作用[1]–[4]，难以满足水平地震与竖向振动双重复杂激励下的环境需求[5]–[8]。因此，开发先进的竖向与水平隔震技术对于确保地震作用下的结构安全以及日常运营期间的振动舒适度至关重要[9]、[10]。作为一种有效的结构措施，隔震控制技术在过去四十年中取得了显著进展[11]–[14]。通过在结构底部设置隔震层以延长其自振周期，可显著降低结构的地震响应。早期研究主要集中于水平隔震技术，如摩擦摆系统[15]–[17]和叠层橡胶支座[14]、[18]–[20]。Zhang等[21]提出了一种嵌有钢管混凝土（FPB-CFST）的创新摩擦摆支座，并通过轴向局部压缩、压剪及摩擦试验建立了其力学机理、摩擦特性和设计方法。同时，开发了一种混合隔震与层间隔震（BIISI）系统，以克服FPB在大高宽比结构中因抗倾覆能力不足而受限的问题[22]。上述研究表明，水平隔震在减缓结构水平地震响应方面卓有成效；然而，地铁运营引起的竖向振动却鲜有关注。尽管结构通常对水平运动更为敏感，但近断层地震记录与现场观测表明，竖向振动同样具有破坏潜力[23]。因此，众多研究者已将关注点转向三维隔震技术，旨在同时解决水平地震与竖向振动问题。在三维隔震领域，已开发出多种三维隔震支座。Liang等[24]提出了一种三维隔震支座，由作为水平隔震元件的叠层铅芯橡胶支座（LRB）和作为竖向隔振元件的环形弹簧支座（RSB）竖向串联组成；试验测试表明其隔震性能良好。后续研究进一步验证了其在50–200 Hz频率范围内对竖向振动的显著隔振效果[25]。Gu等[26]提出了一种由厚天然橡胶支座（TNRB）、碟簧支座（DSB）与叠层橡胶支座（LRB）串联组成的三维隔震系统；数值仿真确认了其在大型结构中的抗震和减振性能。Cao等[27]开发了一种三维减振隔震支座（3D-VIB），将厚叠层橡胶支座作为竖向隔振模块，与双曲面摩擦摆作为水平隔震模块相整合。在轨道上方结构的现场测试表明，该支座能有效降低轨道引起的振动并改善抗震性能[28]。Zhou等[29]提出了一种三维隔震系统，将橡胶支座（用于水平隔震）与配备加载环的碟簧隔震系统（用于竖向减振）相结合，并辅以解耦部件，以同时应对地震与地铁引起的振动。与传统系统相比，该构型具有结构简单、承载能力强、摩擦小以及竖向隔振性能优越等优点。Luo等[30]开发了一种三维隔震支座（3DIB），由改进的叠层天然橡胶支座（LNR）与弹簧支座（SB）竖向串联组成。结果显示，该支座有效提高了竖向承载力，降低了竖向刚度并保持了优异的稳定性，且成功应用于实际工程。Yang等[31]通过试验和抗震分析提出了一种带中心环的环形弹簧竖向隔振支座，以提高承载力和耗能能力，有效解决了竖向地震作用对结构安全的关键影响。Mo等[32]、[33]提出了一种气弹簧铅芯橡胶支座（AS-LRB）并进行了三向振动台试验。结果表明，采用AS-LRB隔振的全尺寸三层叠层模块化钢结构展现了优越的抗震性能，其主构件的峰值加速度、漂移比、轴向力和峰值等效应力均显著降低。这些研究表明，三维隔震支座通常整合不同类型的隔震元件，以实现水平与竖向振动的同步隔振。现有的三维隔振支座一般由水平隔震模块与竖向隔振模块串联组成。这种串联布置导致支座整体高细比过大，不利于抵抗倾覆弯矩。相比之下，并联布置能有效降低支座整体高度，并使多个元件同时并联承载。此外，在弹簧类隔振元件的应用中，不同类型弹簧的性能特性差异显著。碟簧[34]–[37]具有高承载力和紧凑尺寸，但对低频振动的隔离效果较差。气弹簧[38]–[42]在低频隔振方面表现优异，但其结构较为复杂且成本较高。螺旋弹簧[43]–[46]具有线性变形、刚度稳定且易于制造的特点；然而，其在三维减振装置中的应用鲜有研究，而考虑其水平变形行为的研究则更为匮乏。因此，本文提出了一种新型三维减振装置（3DVM），其创新设计将模块化圆柱螺旋弹簧组件与叠层铅芯橡胶支座（LRB）并联组合，实现了竖向与水平双向解耦。在竖向方向上，所施加荷载仅由圆柱螺旋弹簧组件承担，从而可实现按需调节竖向阻尼频率，进而对地铁引起的激励提供有效减振。在水平方向上，荷载由圆柱螺旋弹簧与叠层铅芯橡胶支座共同承担：前者提供主要侧向刚度，后者则耗散地震作用引起的水平能量。这种并联协同机理确保了高效的传力路径，并防止了双向耦合引起的动力学干扰，从而在保持承载能力的前提下显著提升了低频隔振性能。章节摘要3DVM结构与弹簧性能：本节讨论了所提出的3DVM支座设计。导出了理论公式，并对具有水平效应的模块化圆柱螺旋弹簧的力学行为进行了试验测试。试验方案与结果分析：在各种工况下，对基于模块化圆柱螺旋弹簧设计的3DVM支座进行了竖向和水平载荷试验，以确定其力学性能。数值模拟：为深入探究3DVM的力学性能，在Abaqus软件平台上开发了有限元分析（FEA）模型，为支座的最优设计提供数值工具。结论：本研究提出了一种创新性三维减振控制装置，由模块化圆柱螺旋弹簧与叠层铅芯橡胶组件并联组成。进行了竖向和水平力学性能试验，并利用有限元模型开展了参数化研究及参数优化。在研究的局限范围内，可得出以下结论：（1）所提出的3DVM三维减振控制装置具备双轴……CRediT作者贡献声明：王鑫：撰写——审阅与编辑。王戴阳：监督、资源、方法、调查、概念化。林志海：撰写——审阅与编辑。李清清：撰写——审阅与编辑。谢建祥：监督、项目管理。迟琳琳：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，方法，正式分析，数据整理。朱勇：撰写——审阅与编辑，方法，调查，正式分析。利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。致谢：本研究由国家自然科学基金（52378496）资助。作者列表：迟琳琳｜朱勇｜谢建祥｜林志海｜李清清｜王鑫｜王戴阳