橋梁抗震研究與設(shè)計中摩擦擺支座的應(yīng)用

湯 偉

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司)

1 摩擦擺支座的優(yōu)勢特點

從目前的實際情況來看，在橋梁抗震研究與設(shè)計中，鉛芯橡膠支座是應(yīng)用相對較為廣泛的隔震裝置，而摩擦擺支座與之相比較具有更加明顯的優(yōu)勢，鉛芯橡膠支座和摩擦擺隔震支座的性能比較見表1。

表1 摩擦擺隔震支座與鉛芯橡膠支座的性能比較

從表1 中我們可以得知，與鉛芯橡膠支座相比較，摩擦擺支座的耐久性更好、位移能力更大且承載力更高。同時，有大量工程實踐證明，摩擦擺支座能夠使地震力得到有效降低，降低施工費用，從而使工程造價得到有效控制，是一種具有良好力學(xué)性能的隔震裝置。

2 摩擦擺支座的隔震工作原理

摩擦擺隔震支座是以單擺的工作原理為重要依據(jù)，對普通的平面滑動隔震支座進行進一步的改進。當受到的地震作用較小時，摩擦擺隔震支座可以依靠上部自重與橋梁之間所產(chǎn)生的靜摩擦力，來充分保證橋梁的穩(wěn)定性。而當受到的地震作用較大時，摩擦擺支座會按照一定的周期發(fā)生滑動，使橋梁上部結(jié)構(gòu)所受到的地震作用力不會再向下部結(jié)構(gòu)傳遞。因此，摩擦擺支座系統(tǒng)的周期(T)可以用公式T =2π來表示。其中，g 表示重力加速度;R 表示滑動面的半徑，單位為m。通常情況下，摩擦擺支座系統(tǒng)的周期與被支承橋梁上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量(W)沒有關(guān)系，這也正是摩擦擺支座的一大特點。

摩擦擺支座的隔震消能原理是通過設(shè)計滑動面使橋梁結(jié)構(gòu)的振動周期得到延長，從而使橋梁結(jié)構(gòu)由于受到地震作用力影響而產(chǎn)生的放大效應(yīng)得到大大減少，最后，可以通過摩擦擺隔震支座的滑動面與滑塊之間所產(chǎn)生的摩擦，實現(xiàn)隔震消能的目的。通常情況下，隔震系統(tǒng)的阻尼控制可以通過選取合適的動摩擦因數(shù)來實現(xiàn)，而剛度和周期控制則可以通過選擇適合的滑動表面曲線半徑來實現(xiàn)。同時，摩擦擺隔震支座的圓弧滑動面能夠使摩擦隔震支座的位移得到有效限制，從而能夠在受到地震作用后恢復(fù)原位。以摩擦擺支座的減隔震作用原理為依據(jù)，可以按照荷載—位移滯回曲線模型來模擬摩擦擺隔震支座的力學(xué)特性，如圖1 所示。

在圖1 當中，Kp表示初始剛度，可以用以下公式Kp=μW/dy來表示，其中，μ 表示動摩擦因數(shù)，取值通常為0.05;W 表示橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向荷載，單位為kN;dy表示摩擦擺支座的屈服位移，取值通常為2.5，單位為mm。摩擦擺支座的擺動剛度則可以用公式Kfps= W/R 來表示。并可以通過等效線性化的方式將摩擦擺隔震支座的等效線性剛度和等效黏滯阻尼比準確的計算出來，分別用Keff和ζeff表示，其中等效線性剛度可以用公式Keff= F/D =W/R +μW/D，而等效黏滯阻尼可以用表示。其中，F(xiàn) 表示摩擦擺支座的回復(fù)力，單位為kN;D 表示極限位移，單位為m。

圖1 摩擦擺支座的荷載—位移滯回曲線

3 摩擦擺支座在橋梁抗震研究與設(shè)計中的實際應(yīng)用

本文以某城市的一個高架橋工程項目為例，進一步研究摩擦擺支座對抗震的影響。

3.1 工程項目背景

該高架橋工程項目規(guī)模較大，采用了支架現(xiàn)澆的施工方式，主線與匝道結(jié)構(gòu)均采用了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，其上部結(jié)構(gòu)形式各異，且跨徑不同，結(jié)構(gòu)聯(lián)數(shù)較多，立柱高度存在較大的變化，從而使得橋梁抗震研究與設(shè)計的工作量明顯加大。本文以主線高架立柱高度為8 m 的3 ×30 m 標準聯(lián)結(jié)構(gòu)為例，對應(yīng)用摩擦擺隔震支座后的橋梁抗震性能進行分析，其中，標準聯(lián)箱梁結(jié)構(gòu)寬度為17.5 m，梁高為2.0 m，上部結(jié)構(gòu)采用單箱多室斷面，底板跨中厚度和頂板厚度均為250 mm，支點附近厚度和腹板標準厚度分別為400 mm 和450 mm，中支點漸變段和邊支點漸變段均為4 m，支點附近厚度為700 mm。下部結(jié)構(gòu)采用雙立柱，并且在每個立柱下面均設(shè)置四根鉆孔澆筑樁，直徑均為1.2 m。在分析橋梁抗震性能的過程當中，針對標準聯(lián)結(jié)構(gòu)和中間橋墩結(jié)構(gòu)分別采用全部常規(guī)支座和摩擦擺支座，通過對比分析之后便可以得到摩擦擺支座的抗震性能。

3.2 動力分析模型及其計算參數(shù)

采用SAP2000 Nonlinear 有限元程序進行動力分析，摩擦擺支座的抗震性能分析則通過建立計算模型來實現(xiàn)。在建立的計算模型當中，橋墩結(jié)構(gòu)和主梁結(jié)構(gòu)均被離散成為空間梁單位，其中，主梁結(jié)構(gòu)的模擬通過建立單梁式力學(xué)模型來實現(xiàn)，而樁基基礎(chǔ)的模擬則通過建立6 ×6 彈簧剛度模型來實現(xiàn)。如果摩擦擺隔震支座的半徑R 為3.0 m，那么摩擦擺隔震系統(tǒng)的周期根據(jù)公式計算則為3.475 s。然后以總體結(jié)構(gòu)的分析為依據(jù)，便能夠得到每個摩擦擺隔震支座在恒載下的反力，即W=4 000 kN，取μ 值為0.05，根據(jù)公式計算，可以得出:Kp= 80 000 kN/m，Kfps= 1 333 kN/m，而兩者的比值則等于0.017。選用與設(shè)定地震距離和地震震級大體相近的實際地震動加速度記錄，使其反應(yīng)譜能夠與規(guī)范設(shè)計加速度反應(yīng)譜相互兼容，并以E2 反應(yīng)譜為依據(jù)，可以分別生成3 條波，其中，E2 第一條時程波示意圖見圖2，E2 第一條時程波與反應(yīng)譜吻合度比較示意圖見圖3。

圖2 E2 第一條時程波示意圖

3.3 時程分析結(jié)果

以動力分析結(jié)果為依據(jù)，在隔震之前，結(jié)構(gòu)的一階振動模態(tài)為1 號墩縱向位移，頻率和周期分別為1.371 s 和0.730 Hz;而應(yīng)用摩擦擺支座之后，標準聯(lián)結(jié)構(gòu)的周期和頻率分別為3.586 s 和0.399 Hz。由此可見，摩擦擺支座在橋梁抗震研究與設(shè)計中的應(yīng)用能夠大大延長橋梁結(jié)構(gòu)的周期。通過對E2 橫向和縱向地震作用下1 號墩的主梁位移和固定墩柱底截面內(nèi)力進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當采用摩擦擺支座之后，大大減小了支座剪力和結(jié)構(gòu)墩柱的內(nèi)力，且縱橋向的隔震率比橫橋向的隔震率要稍微小一些，而應(yīng)用摩擦擺支座之后的主梁位移與未使用摩擦擺支座的主梁位移相比較明顯增加。因此，相關(guān)人員在開展研究和設(shè)計工作時，應(yīng)該充分考慮橋梁抗震擋塊與摩擦擺支座之間的間隙，充分確保摩擦擺隔震支座的極限位移。由于采用半徑較大的摩擦擺支座會使得主梁支座發(fā)生較大的位移，因此，為了使主梁支座的位移得到適當?shù)販p小，應(yīng)該應(yīng)用半徑較小的摩擦擺支座，并且應(yīng)該設(shè)置間隙較大的抗震擋塊。根據(jù)摩擦擺支座在E2地震下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，采用半徑較小的摩擦擺支座不僅能夠產(chǎn)生較大的支座回復(fù)力，同時還能夠提供較大的支座等效剛度，從而能夠引起較大的剪力與結(jié)構(gòu)彎矩，但不足之處是，會使得支座的極限位移大大降低。因此，應(yīng)該充分結(jié)合橋梁工程項目的實際情況，進行全面的分析之后再確定選擇哪一種半徑的摩擦擺支座。

圖3 E2 第一條時程波與反應(yīng)譜吻合度比較示意圖

4 結(jié) 語

綜上所述，由于摩擦擺支座具有較好的隔震效果，而且摩擦擺隔震系統(tǒng)的周期僅僅與半徑有關(guān)，而不會受到被支承橋梁上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，能夠使橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計變得更加簡單化，因而在橋梁抗震研究與設(shè)計當中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通過對摩擦擺支座在橋梁抗震研究與設(shè)計中的應(yīng)用進行認真地分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用摩擦擺隔震支座之后，雖然橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力得到了有效減少，但是會在一定程度上增加主梁支座的位移，因此，相關(guān)人員在開展設(shè)計工作時，應(yīng)該充分考慮橋梁抗震擋塊與摩擦擺隔震支座之間的間隙，充分確保摩擦擺隔震支座的極限位移。同時，應(yīng)該充分結(jié)合橋梁工程項目的實際情況，進行全面的分析之后再確定選擇哪一種半徑的摩擦擺支座。

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