基于摩擦摆支座性能劣化和多级缓冲限位的近海隔震结构抗震性能研究

The offshore structures are extreme important, their seismic safety in service life period have great effect on society and national economy. Friction pendulum seismic isolated technology is current hotspots of research and application, but as time went on, under the complex marine corrosion environment for a long time, properties deteriorations of friction pendulum isolated bearing may be produced. In addition, under the suddenly occurred large earthquake or very rarely occurred earthquake, the structure may be destroyed by excessive seismic displacement of bearing. So, the key scientific problems are the deterioration law of mechanical properties of friction pendulum isolated bearing and research on multi-stage protective buffer method under different large earthquakes. .The project takes the offshore isolated structure with friction pendulum isolated bearing as research subject, discovers the properties deterioration law of the isolated bearing under complex marine corrosion and earthquake environment from two aspects of material and bearing; research multi-stage protective buffer method under different large earthquakes and the multi-stage elastic-plastic protective buffer device, establish the corresponding constitutive model; based on the properties deterioration law of the friction pendulum isolated bearing and multi-stage protective buffer method, study seismic performance of the offshore isolated structure, put forward corresponding seismic design method.

近海结构影响重大，确保其使用寿命期内的安全性对我国社会、经济发展具有重大的战略意义。摩擦摆隔震技术是近海结构当前研究和应用的热点，但在复杂海洋环境的长期作用下，摩擦摆支座的性能随时间可能产生劣化甚至失效；此外，在突发大震或极罕遇地震作用下，摩擦摆支座也可能产生过大位移丧失隔震功能导致结构发生破坏。因此，摩擦摆支座的性能劣化时变规律和不同等级大地震作用下多级缓冲限位方法的探索是迫切需要研究的重大科学问题。.本项目以近海隔震结构为研究对象，从材料和支座两方面揭示摩擦摆隔震支座在复杂海洋环境及地震共同作用下的性能劣化时变规律；探索不同等级大地震作用下多级缓冲限位方法，开发多级弹塑性缓冲限位装置，建立相应的本构模型；基于摩擦摆支座性能劣化规律以及多级缓冲限位方法，开展近海隔震结构的抗震性能研究，提出近海隔震结构的抗震设计方法。

针对复杂近海环境，对摩擦摆隔震支座及摩擦副材料开展周期性盐雾及干湿循环腐蚀人工加速试验，模拟隔震支座处于海洋浪溅区和大气区的情况；得到了在复杂海洋环境及地震共同作用下，摩擦摆支座及摩擦副材料静、动摩擦系数随劣化时间的变化规律。.针对摩擦摆支座滑移材料聚四氟乙烯PTFE耐磨性差、磨损率高等问题，利用WS2填充改性PTFE，开展PTFE物理力学性能试验以及支座的摩擦磨损性能研究，综合分析给出PTFE材料中WS2含量的建议值。结果表明：添加纳米级2%、4%WS2对PTFE进行改性，能在确保基本物理力学性能的前提下，显著改善PTFE的耐磨损性能，且摩擦系数与纯PTFE相差不大，是改进桥梁用摩擦摆支座性能的一种较好方法。.针对现有桥梁限位技术的不足，研发了新型阻尼器凸轮式响应放大限位装置，进行了恢复力特性等理论分析和伪静力试验研究。结果表明：该装置能够保证串联阻尼器的位移在各级地震作用下均不会失效；具备位移、速度、力等响应放大效应，能充分发挥耗能能力，可与各类阻尼器组合使用；串联小吨位阻尼器可达到直接安装大吨位阻尼器相同的耗能效果。.针对极罕遇地震下隔震桥梁支座位移可能超限破坏的问题，提出了不同等级大地震作用下两级限位的思想：新型旋转质量摩擦阻尼器RMFD为第1级限位装置，拉索为第2级限位装置；进而提出了消能限位和缓冲限位两种两级限位系统。通过试验和理论分析验证了RMFD的耗能有效性，算例分析验证两级限位方案在各级地震作用下的限位有效性，两级缓冲限位系统具有不增大桥梁下部结构响应、减震效果好的优势。.考虑复杂海洋环境及地震共同作用，开展摩擦摆支座性能劣化对隔震桥全寿命期抗震性能的影响、支座和桥墩共同劣化下近海隔震桥抗震性能及地震易损性时变规律、多级缓冲限位近海隔震桥地震响应等研究，揭示了全寿命期内摩擦摆支座性能劣化对近海结构抗震性能及易损性产生的不利影响规律，及多级缓冲限位技术的有利影响规律，可为确保近海隔震结构使用寿命期的地震安全和维护提供科学理论和依据。