帶水平滑動面的雙曲面球形支座SAP2000模擬及分析

虢 浩

湖南省建筑設計院有限公司，湖南長沙 410000

近年來雙曲面球型減隔震支座在房屋建筑及橋梁中的成功應用，是我國減隔震支座有效減小地震作用，保障結構抗震安全的成功范例。但當上部結構因溫度變化等原因與底座發生相對水平移動時，上、下支座板之間將產生豎向相對位移。在非地震作用下，支座豎向位移也將引起連續梁橋次內力。在支座下方增加水平滑動面，可以消除在非地震作用下支座的豎向位移，并增加支座在地震作用下的水平位移能力。本文將探討帶水平滑動面的雙曲面球型減隔震支座的工作原理，并且利用SAP2000對影響該支座抗震性能的各個參數進行分析，給結構設計提供一定的參考。

1 支座的工作原理及模擬

1.1 帶水平滑動面的雙曲面球形支座的結構介紹

帶水平滑動面的雙曲面球形支座由一個帶有水平滑動面的底板、一個帶有轉動球面的下支座板、一個具有雙球面的中支座板和帶有滑動球面的上支座板組成（見圖1）。上支座板下表面與中支座板的滑動球面相切，在出現水平相對位移后可以提供豎向和水平反力。中支座板下表面與下支座板的轉動球面相切，在發生轉動后也可以提供豎向支承。下支座板與底板通過水平滑動面相連，當發生非地震作用時，下支座板將在底板的水平滑動面上滑動，直至碰到底板的擋板。底板與柱墩通過螺栓相連，成為一個整體。該支座為滑動支座，在正常使用下可以自由滑動。發生地震后，一旦水平地震作用大到一定程度，上部的雙曲面球形支座將碰到底座的擋板，只要水平地震作用足夠大就能引起上部的雙曲面球形支座上下支座板產生相對位移，中支座板必須通過相應的轉動、滑動以適應這樣的位移。

圖1 帶水平滑動面的雙曲面球形支座

2 Sap2000計算分析

本文采用橋梁模型模擬分析。該橋跨徑30.5m，墩高為8m，在橋墩上安裝帶水平滑動面的雙曲面球形支座。本文采用非線性的時程分析法，地震烈度取8度0.2g。

2.1 “Open”參數對支座抗震性能的影響

“Open”的設計參數定為：0.005，0.01，0.02。

“Open”與最大位移、最大剪力值的關系如圖2、3所示。

圖2 支座最大位移與“open”參數的關系

圖3 支座最大剪力與“open”參數的關系

2.2 雙曲面球形支座摩擦系數對支座抗震性能的影響

雙曲面球形支座摩擦系數μ1取：0.01，0.02，0.03，0.04，0.05。μ1與最大位移、最大剪力值的關系如圖4、5所示。

圖4 支座最大位移與μ1的關系

圖5 支座最大剪力與μ1的關系

2.3 水平滑動面摩擦系數對支座抗震性能的影響

水平滑動面摩擦系數μ2系數取：0.01、0.02、0.03、0.04、0.05。μ2與最大位移、最大剪力值的關系如圖6、7所示。

圖6 支座最大位移與的關系

圖7 支座最大剪力與的關系

2.4 曲率半徑對支座抗震性能的影響

本文中設定的曲率半徑R參數取：0.5，2，5，8。R與最大位移、最大剪力值的關系如圖8、9所示。

圖8 支座最大位移與R的關系

圖9 支座最大剪力與R的關系

2.5 各參數綜合比較

2.5.1 減小梁的最大位移的方法

“open”和曲率半徑的增加使得支座的最大位移增大。“open”對于最大位移的改變是均勻的，支座最大位移隨著“open”的增加而均勻增加。雙曲面球形支座的摩擦系數和底座滑動面的摩擦系數的增加使得支座最大位移減小，不過球形支座的摩擦系數對于改變最大位移的效果更佳。要減小梁的最大位移，可以通過以下四個途徑：減小支座底板的擋板間隙，減小曲率半徑，增大上部雙曲面球形支座的摩擦系數，增大底座滑動面的摩擦系數。

2.5.2 減小墩底最大剪力的方法

“open”和曲率半徑的增加都可以有效的減小支座的最大剪力。曲率半徑的改變對于改變墩底剪力的效果是十分顯著的。雙曲面球形支座摩擦系數對于最大剪力沒有明顯的比例關系，但支座最大剪力有一個最小值是在摩擦系數為0.02左右。同樣的道理，當底座滑動面的摩擦系數在0.04左右時墩底剪力最小。

3 結語

本文在烈度為8度的地震波荷載作用下研究梁的最大位移和墩底的最大剪力。在Sap2000中通過設置Gap、Hook、Friction Isolator、曲率半徑為零的Friction Isolator的參數來進行計算。將同一個參數的不同數值下的得出的數據放在一起比較，得出該參數對于支座隔震性能的影響。再通過將所有參數一起對比得出總的結論。