Theoretical Analysis and Numerical Simulation of a Novel Triple Friction Pendulum Bearing

LI Ximei; NIU Kexin; SU Runtian; MU Bohai

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20240319002

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Theoretical Analysis and Numerical Simulation of a Novel Triple Friction Pendulum Bearing

更新时间：2025-08-27

- Theoretical Analysis and Numerical Simulation of a Novel Triple Friction Pendulum Bearing
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 4, Pages: 859-869(2025)
- 作者机构：
  
  1.兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃兰州 730050
  2.兰州理工大学防震减灾研究所，甘肃兰州 730050
  3.浙江交投交通建设管理有限公司，浙江杭州 311200
  4.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730050
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20240319002
  CLC： TU443
- Received：19 March 2024，
  
  Revised：2024-05-07，
  
  Published：28 August 2025
- 稿件说明：
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李喜梅,牛珂欣,苏润田等.多重摩擦摆新型隔震支座的理论分析及数值模拟[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):859-869.

LI Ximei,NIU Kexin,SU Runtian,et al.Theoretical Analysis and Numerical Simulation of a Novel Triple Friction Pendulum Bearing[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):859-869.
李喜梅,牛珂欣,苏润田等.多重摩擦摆新型隔震支座的理论分析及数值模拟[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):859-869. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240319002.

LI Ximei,NIU Kexin,SU Runtian,et al.Theoretical Analysis and Numerical Simulation of a Novel Triple Friction Pendulum Bearing[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):859-869. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240319002.

摘要

传统的摩擦摆支座虽然耗能能力强，但存在支座本身位移过大的问题。因此在三重摩擦摆支座的基础上，结合形状记忆合金（SMA）拉索提出了多重摩擦摆新型隔震支座（STFPB），介绍了其基本构成和隔震原理，利用力学平衡原理对摩擦摆隔震支座进行了理论分析，推导出多重摩擦摆新型隔震支座的刚度和等效粘滞阻尼比，构造了多重摩擦摆新型隔震支座的四折线滞回模型。采用有限元软件ABAQUS对多重摩擦摆新型隔震支座进行实体单元建模，模拟低周反复荷载作用下该支座的滞回特性与回复特性，并分别研究了竖向荷载、水平位移幅值、SMA拉索的数量和直径以及水平激励角度对其的耗能影响。研究结果表明：（1）理论分析和数值模拟结果吻合较好，验证了提出的滞回模型计算公式的正确性；（2）相比传统的三重摩擦摆支座，多重摩擦摆新型隔震支座的滞回曲线饱满，具有良好的滞回性能；（3）耗能能力随竖向荷载的增大、水平位移幅值的增大以及SMA拉索的增多而增强；（4）45度激励作用下布置4根SMA拉索的刚度和耗能最大，在进行支座布置时应考虑SMA拉索的布置位置。

Abstract

Traditional friction pendulum bearings

while possessing strong energy dissipation capabilities

suffer from excessive displacement. Therefore

based on the triple friction pendulum bearing

a novel SMA-triple friction pendulum bearing (STFPB) incorporating shape memory alloy (SMA) cables was proposed

and its basic structure and isolation principles were introduced. A theoretical analysis of the friction pendulum bearing was conducted based on the principles of mechanical balance. The stiffness and equivalent viscous damping ratio of the novel bearing were derived

and a four-segment hysteretic model was constructed. Utilizing finite element software ABAQUS

the solid elements of the bearing were modeled

and its hysteretic and recovery characteristics under low-cycle repeated loads were simulated. Additionally

the influence of vertical load

horizontal displacement amplitude

the number and diameter of SMA cables

and horizontal excitation angle on its energy dissipation was investigated. The results showed that: ①excellent agreement between theoretical analysis and numerical simulation validated the correctness of the proposed calculation formula for the hysteretic model. ②Compared with traditional triple friction pendulum bearings

the novel STFPB had a full hysteresis curve and superior hysteretic performance. ③Energy dissipation increased with higher vertical load

larger horizontal displacement amplitude

and an increased number of SMA cables. ④Under 45-degree excitation

the configuration with four SMA cables achieved maximum stiffness and energy dissipation. Therefore

the arrangement of SMA cables should be considered when designing the bearings.

关键词

Keywords

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