摩擦擺支座在橋梁抗震設計中的應用

黃星瑞，李雙紅

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

摩擦擺支座在橋梁抗震設計中的應用

黃星瑞，李雙紅

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

詳細的介紹了摩擦擺隔震支座，然后結合實際案例分析了摩擦擺隔震支座在橋梁抗震設計中的應用。

摩擦擺支座；橋梁；抗震設計；應用

1 減震、隔震支座的發展及應用

在橋梁中，支座是連接橋梁上下部結構的重要組成部分，其起著傳到荷載的作用。在橋梁結構中，支座是十分重要的一部分，一旦其發生損壞將會直接影響到橋梁整體的穩定性。因此在進行橋梁的抗震設計時，一定要做好支座的防護設計。考慮到支座的特殊性，一些研究人員提出了設計減震、隔震支座的觀念，這一觀念在提出后受到了較多的關注，相關的研究人員通過在橋梁的支座上安裝一些減震、隔震的裝置來實現減少橋梁結構振動的目的，并且取得了較好的效果。我國在汶川大地震以后開始廣泛的管賬橋梁的減震、隔震支座研究，在實際的施工中應用了一系列的減震、隔震支座。在實際的橋梁施工中，常用的防震支座有以下幾種：摩擦擺式支座、鉛芯橡膠支座、黏滯阻尼器軟鋼阻尼支座以及速度鎖定支座等。

2 摩擦擺支座的工作原理分析

摩擦擺支座是根據單擺的原理來加以設計研發的，其是在普通平面滑動隔震支座的基礎上加以改進得到的一種防震支座。在安裝了摩擦擺式減隔震支座以后，當發生小幅度的震動時，其上部結構能夠依靠自重確保內部的穩定，在靜摩擦力的作用下，滑塊并不會發生滑動。當振動達到一定的強度時，結構會按照預先的設計發生周期性的滑動，從而將震動的能量轉變為內部的能力，不再像橋梁的下部傳遞。在安裝了摩擦擺式減隔震支座以后，一旦發生震動，其內部的支座橋面曲率會發生變化，從而使支座的擺動周期發生改變。當支座發生水平方向上的運動時，重力豎向上會發生提升，將支座的動能轉變為勢能，從而使震動的能量降低。在震動結束以后，支座會在重力的作用下逐漸的恢復。

支座的具體結構如圖1所示，從圖中可以看出，其是利用了滑動面來將整個結構的振動周期延長，從而使地震作用下的放大效應進一步的減弱，使得地震下產生的振動能量影響降到最低。整個系統的周期以及剛度都是經過科學的分析與計算的，當發生震動時，在重力以及靜態阻尼的作用下滑塊會發生滑動，轉變振動的能量。通過擺動，延長下部結構自振周期，實現隔震功能。周期一般為橋梁固有周期的2倍以上，不能太大，否則難以復位，其范圍為2～6 s；太小則梁體升高偏大，因此設計時需針對不同噸位選擇合理周期，滿足抬高及復位要求。并且支座內部的弧面具有修復功能，其能夠有效的而避免支座發生位移，當震動停止后能夠及時的回復原來的狀態，確保支座的穩定。

圖1 摩擦擺支座結構示意圖

3 橋梁抗震設計的摩擦擺支座應用實例

某高架橋梁是城市重點項目，在設計的過程中橋梁的主線部分與匝道的結構采用的是預應力混凝土連續梁結構，在施工過程中以支架現澆施工法進行施工。在進行橋梁設計的過程中，設計的橋梁抗震等級是乙類，地震的基本烈度是7度。因為該橋梁的上部結構形式比較多樣化，在進行設計時考慮到橋梁的跨徑變化、立柱高度的變化等，其存在較大的差異，因此在進行橋梁的抗震分析時需要消耗大量的時間。一般而言，不同抗震等級的橋梁應當選擇不同的摩擦擺支座，在具體選擇時可以參照圖2。

圖2 不同型號摩擦擺支座對應的的證等級

以主線高架立柱高度為8 m的3×30 m標準聯結構為例，分析采用摩擦擺隔震支座的結構抗震性能。其中，標準聯箱梁結構寬度17.5 m、高度2.0 m，采用單箱多室斷面，頂板厚度為250 mm，底板跨中厚度為250 mm，支點附近厚度為400 mm；腹板標準厚度為400 mm，支點附近厚度為700 mm，邊支點漸變段為5 m，中支點漸變段為8 m。下部結構采用雙立柱，每個立柱下設4根直徑1.2 m的鉆孔灌注樁。

在抗震分析中，對標準聯結構分別采用全部常規支座(隔震前)與中間橋墩采用摩擦擺支座(隔震后)進行分析比較，從而得到摩擦擺支座的抗震性能。

3.1 動力分析模型以及計算參數

動力分析采用SAP2000Nonlinear有限元程序，應用三維有限元模型建立計算模型進行抗震性能分析，計算模型均以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。計算模型均考慮左右各一聯橋梁結構的影響。模型中主梁和橋墩均離散為空間梁單元，其中主梁采用單梁式力學模型，承臺采用集中質量進行模擬；樁基礎的模擬為6×6彈簧剛度模型，按靜力的m法計算，但m系數考慮動力影響提高2～3倍。

3.2 時程分析結果

根據動力分析結果，隔震前的標準聯結構其一階振動模態為固定墩——1#墩縱向位移，周期為1.371 s，頻率為0.730 Hz；而隔震后結構的一階振動模態為主梁縱向位移，周期為3.475 s，頻率為0.288 Hz。由此可見，采用摩擦擺支座后結構的周期大大延長。

采用摩擦擺支座后結構墩柱的內力與支座剪力大大減小，橫橋向的隔震率略大于縱橋向，而隔震后的主梁位移比隔震前增加較多，在設計時要注意支座與抗震擋塊之間的間隙，確保摩擦擺支座的極限位移。由于采用半徑大的摩擦擺支座引起較大的主梁支座位移(根據計算結果得到，摩擦擺支座R=3.0 m。縱向支座位移0.240 m，橫向支座位移0.233 m)，需要設置較大間隙的抗震擋塊，采用較小半徑的摩擦擺支座可以適當減小主梁支座的位移。

4 結 語

在橋梁設計的過程中應用摩擦擺隔震支座能夠有效的而降低橋墩的剪切力，降低橋墩頂部所承受的剪力值，并且還會增加橋梁與橋墩之間的位移。在實際的橋梁抗震結構設計中，在選擇摩擦擺隔震支座進行抗震設計時必須要根據橋梁的實際情況選擇合理的支座參數，對于橋梁整體的控制墩以及梁之間的位移進行準確的計算，從而最大程度上降低橋梁的振動系統，確保橋梁整體結構的穩定性與抗震性。

[1] 楊允表.摩擦擺支座在橋梁抗震設計中的應用[J].中國市政工程,2014,16(5):88-91.

[2] 龐博,王宏.基于時程分析的橋梁支座抗震性能對比研究[J].公路,2014,31(10):139-143.

[3] 孫洪亮.摩擦擺支座在某連續梁橋抗震設計中的應用[J].山西建筑,2015,16(30):167-169.

U445.7+5

C

1008-3383(2017)09-0136-01

2017-06-07

黃星瑞(1990-)，男，貴州遵義人，工程師，研究方向：橋梁設計。