智铟轴承在地震（智利）作用下摩擦退化研究：试验标定、数值建模与抗震反应评价

《Journal of Building Engineering》：Friction Degradation in Pendulum Bearings under Chilean Ground Motions: Experimental Calibration, Numerical Modeling, and Seismic Response Assessment

　　

•通过实验表征了FP支座的摩擦退化。
•校准了循环依赖和温度依赖的摩擦模型。
•针对退化FP隔震结构建立了状态空间描述。
•智利长持续时间地震动增大了隔震支座的位移需求。
•为简化设计分析提出了等效修正系数。

引言

地震隔震是降低从地面传递到上部结构地震需求最有效的策略之一[1]。在现有的隔震技术中，摩擦摆（FP）支座已广泛应用于建筑物[2]、[3]、[4]、[5]、桥梁[6]、[7]、[8]以及关键设施[9]、[10]、[11]，因为它们通过凹形滑移表面的几何形状，兼具横向柔性、能量耗散和自复位能力。在最简单的构型中，FP支座由一个在球形不锈钢表面上运动的铰接滑块组成，其中恢复力由曲率半径控制，能量耗散由滑移界面的摩擦相互作用决定[12]。此外，还开发了更先进的构型，例如双凹摩擦摆（DCFP）[13]和三摩擦摆（TFP）[14]、[15]、[16]支座，以增加位移能力、减小装置尺寸，并在不同地震强度级别下提供自适应响应。

已提出多种数值描述方法来重现单面和多重面FP装置的力-位移行为，包括串联模型（如[16]）、物理模型（如[17]、[18]），以及能够跟踪各滑移界面位移需求的更详细描述方法[19]、[20]、[21]、[22]。这些进展提高了模拟FP隔震结构整体响应的能力，尤其是在涉及多个滑移面、位移能力和不同摩擦特性时。然而，这些模型的精度在很大程度上取决于所假设的摩擦系数在地震激励过程中的演化。

FP支座的摩擦系数并非恒定。实验证据表明，它取决于多个参数，包括滑移速度、接触压力、温度和累积滑移历史。摩擦的速度依赖性通常通过指数型函数来表示，其中摩擦系数从低速值增加到高速值[23]、[24]。此外，接触压力也会改变摩擦响应。更重要的是，在反复滑移循环过程中，摩擦生热会导致摩擦系数显著降低[25]、[26]、[27]、[28]、[29]，从而改变支座的滞回响应并可能影响隔震系统的位移需求。

最大基础位移是FP装置和基于摩擦支座的隔震系统设计中关键工程需求参数（EDP）。如果未能正确估算该需求，隔震系统的横向位移能力可能会被超过，或者在强烈地震期间，基础隔震建筑与基坑壁之间可用的间隙可能不足。横向冲击已被确定为导致FP支座失效的重要因素[30]、[31]、上部结构弹塑性行为的诱因[30]、[31]、[32]，以及基础隔震结构倒塌性能的威胁[33]、[34]。

已提出多种方法来考虑摩擦系数的退化[35]、[36]、[37]。Lomiento等人[36]开发了一种摩擦模型，其中摩擦系数通过分别与竖向荷载、滑移速度和循环效应相关的独立函数进行修改。在该描述方法中，反复滑移引起的退化通过一个与滑移界面产生的热流相关的累积变量来表示。该解析模型已与考虑热-力耦合和双向激励的有限元模型和实验数据进行了比较[38]。Lomiento等人开发的描述方法也被实现为面向对象有限元软件OpenSees中可用的CSSBearing_BVNC单元[39]。

作为替代，Kumar等人[37]提出了一种温度依赖的摩擦模型，其中摩擦系数被表示为滑移速度、轴向压力和接触面温升的函数。该描述方法在地震反应时程分析中显式评估了热问题，并表明摩擦生热对于承受高接触压力的支座尤为关键。该建模方法已被用于模拟TFP支座的响应[40]、[41]，并且OpenSees中还提供了一个能够考虑热效应分析TFP支座的单元[42]。

隔震建筑的设计规范通常通过性能修正系数（即修正系数）或上限和下限值来考虑FP支座标称特性的不确定性。美国标准ASCE/SEI 7[43]使用修正系数，而欧洲规范[44]采用上下限性能值。智利规范[45]使用隔震支座单元实验测试中获得的性能和性能最小值。尽管存在这些差异，所有设计方法都依赖于实验证据来定义隔震支座性能的变异性范围。然而，实验观测到的热退化、数值摩擦模型与设计导向结构分析中等效性能修正系数之间的关系仍未得到充分探讨。

这一问题在智利尤为相关，因为大规模俯冲地震可能对隔震系统施加显著的位移和累积滑移需求。许多智利地震动具有长持续时间特征，这可能会加剧由于累积滑移和摩擦生热引起的摩擦退化。因此，评估智利地震条件下循环和温度依赖性退化的影响，对于改善隔震支座位移需求和传递到上部结构的力传递的估算具有重要意义。

尽管此前的研究已开发了能够考虑FP支座中循环和温度依赖性退化的摩擦模型，但它们对长持续时间俯冲地震动下建筑地震响应的含义仍未得到充分量化。特别是，有限关注实验校准、结构层非线性时程分析和设计导向等效修正系数的结合使用，以在简化分析中表示退化效应。因此，仍然需要将实验摩擦退化、数值建模和地震需求估算联系起来进行综合评估，特别是在智利地震条件下。

本研究通过调查摩擦系数循环和温度依赖性退化对智利环境下FP支座和FP隔震结构响应的影响来解决这一空白。首先，使用实验循环试验来表征摩擦系数的退化，并校准两种代表性摩擦模型的参数：基于循环的模型和基于温度的描述方法。然后，使用校准后的模型来重现测试隔震支座的实测滞回响应。最后，实现了一种状态空间数值描述方法，用于评估配备单FP和DCFP支座的三维基础隔震钢筋混凝土结构的地震响应。分析使用按土壤类型和显著持续时间分类的智利地震动进行，目的是量化摩擦退化对隔震位移、基底剪力和上部结构响应的影响。此外，估算了等效性能修正系数，以在智利设计框架内考虑退化效应。

本研究的实验贡献不在于新的循环试验方法或先前未报告的摩擦退化机制。相反，试验提供了为智利项目制造的商业DCFP支座的数据，包括补充机械响应数据的温度历史记录，支持摩擦模型校准。整体贡献在于将此实验表征与智利地震条件下结构响应分析和等效性能修正系数联系起来。

部分摘要

非自适应摩擦摆（FP）支座的横向行为

本节简要介绍了常用摩擦摆（FP）支座的横向行为。摩擦隔震器最简单的构型是由Zayas[12]提出的摩擦摆系统（FPS）。该装置由两个主要部件组成：一个铰接滑块和一个以曲率半径为特征的凹形（球形）表面。这两个部件在图1(a)中以非位移和位移构型展示。FPS支座是...

考虑摩擦系数循环或温度依赖性行为的数值模型

已提出多种数值模型来考虑摩擦摆（FP）支座中滑块与凹板之间摩擦相互作用的循环或温度依赖性行为。本研究考虑了最常用的两种方法。

第一种方法是Lomiento等人[36]提出的模型。该模型对本研究尤为相关，因为本研究基于该摩擦模型开发了一种状态空间数值描述方法用于...

评估双凹摩擦摆（DCFP）支座温度依赖性行为的实验测试

测试了两台商业双凹摩擦摆（DCFP）支座，分别标记为隔震器#1和隔震器#2，以评估热效应对它们摩擦行为的影响。这些支座设计承受560 kN的竖向荷载并适应120 mm的最大横向位移。每台支座由两个凹形滑移面组成，每个滑移面的曲率半径为 mm，以及一个高度为 mm的非铰接内滑块。有效半径计算为...

将热效应纳入配备摩擦摆（FP）装置结构建模的状态空间方法

本节提出了一种状态空间方法，用于配备FP支座结构的动力分析，明确纳入热退化效应。该描述方法要求定义一个扩展状态向量，包含结构变量、与摩擦响应相关的内部滞回变量以及控制热退化演化的变量。

对于承受地震动的基础隔震结构，结构状态...

结构响应评估

本节评估了速度和退化依赖的摩擦模型对配备摩擦摆（FP）支座结构地震响应的影响。目的是量化纳入摩擦退化如何影响地震激励下关键结构响应参数。

为此，使用第5节描述的状态空间描述方法分析了一栋三维基础隔震建筑。尽管基于循环和基于温度...

结果

本节呈现了在考虑不同摩擦退化条件下基础隔震结构的地震响应。通过非线性时程分析评估了退化对动力响应的影响，使用所选的智利地震动集合。特别关注最大隔震器位移和归一化基底剪力，因为这些参数直接受到地震激励期间摩擦系数变化的影响。

它...

结论

本研究调查了循环和温度依赖性摩擦退化对摩擦摆（FP）支座和基础隔震结构响应的影响。使用商业双凹摩擦摆（DCFP）支座的实验测试校准了循环和温度依赖的摩擦模型，并实现了纳入退化效应的状态空间描述方法，以评估三维基础隔震建筑的地震响应。

CRediT作者贡献声明

Gaspar Auad：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，方法论，调查，经费获取，形式分析，概念化。José Luis Almazán：撰写——审阅与编辑，验证，方法论，调查，经费获取，形式分析，数据整理，概念化。Víctor Contreras：撰写——审阅与编辑，验证，方法论，调查，概念化。José Colombo：撰写——审阅与编辑，验证，方法论，

生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本作品期间，作者使用了ChatGPT以提高手稿中的拼写和语法。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢ANID BASAL FB210015 CENAMAD的支持。本研究由国家研究与开发局ANID / Fondecyt起步研究基金N°11251179（ANID/FONDECYT/11251179）资助。

Gaspar Auad|José Luis Almazán|Víctor Contreras|José Colombo