淺談摩擦擺支座的應用

張 弓，王 智，郝硯琪

(太原市高速鐵路投資有限公司，山西 太原 030001)

1 摩擦擺球形支座基本知識

1.1 摩擦擺球形支座的基本原理

FPQZ摩擦擺式減隔震球形支座巧妙地利用了鐘擺原理，通過球形摩擦副的運動，使上部結構發(fā)生單擺運動，擺動過程中通過摩擦阻尼耗能，支座的周期和剛度通過選取合適的球面半徑來控制，阻尼由動摩擦系數(shù)提供，擺動裝置提供的恢復力又可使支座重新回到中心位置。

1.2 摩擦擺系列球形支座的選取

本工程采用豎向承載力為15 000 kN(或者27 500 kN)，減隔震位移量為±300 mm，球面半徑為4 m，低溫(-40℃～-25℃)固定型、單向活動型、雙向活動型三類摩擦擺球形支座。

1.3 摩擦擺球形支座的組成

FPQZ系列摩擦擺球型支座一般由上支座板、不銹鋼板、上耐磨板、球冠、下耐磨板、橡膠密封環(huán)、下支座板、限位裝置及錨固組件等組成。FPQZ-GD型，材料構成見圖1，通常設置于固定墩，其在正常工況下為固定支座，地震時限位板剪斷，支座雙向減隔震。

圖1 固定型支座

FPQZ-DX型，材料構成見圖2，該支座可用作縱向活動型或橫向活動型，當用于縱向活動型時，其在橫橋向設有限位板，縱橋向可自由位移，地震時橫橋向限位板剪斷，支座雙向減隔震；FPQZ-SX型，材料構成見圖3，其在正常工況下可以任意方向活動，地震時雙向減隔震。

圖2 單向活動型支座

圖3 雙向活動型支座

2 摩擦擺球形支座的設計依據(jù)

2.1 摩擦擺球形支座的布置原則

本結構為3跨連續(xù)梁，跨中受力大，變形量大，在跨中兩側任一側布置一個固定墩，且為了避免對既有結構的影響，故在靠近既有結構側布設固定支座，另一側布設單向滑動支座，以免應力集中，固定墩縱向其余支座布置沿縱向單向滑動支座。其余支座均為雙向滑動支座。

2.2 摩擦擺球形支座的外力及承載

摩擦擺球形支座作為連接上部結構和下部結構的構件，承受由上部結構傳來的豎向力、水平力和彎矩，在設計過程中則分別體現(xiàn)為各種荷載的設計值。對球形支座而言，水平力和彎矩是由于橋梁上部結構和下部結構做相對運動時，受到支座的制約而產生的，可認為水平力是由于支座各部分相對運動時，由于滑動摩擦或滾動摩擦而產生的。

摩擦擺球形支座的豎向承載力分為30個等級，從1 000 kN到60 000 kN，可以根據(jù)設計荷載組合計算求得的外力，據(jù)實選取，本工程選取的豎向荷載為15 000 kN和27 500 kN。

2.3 摩擦擺球形支座的選型

2.3.1 彈性靜力位移驗算

設兩橋墩之間的長度為L，橋梁合龍溫差與使用時絕對最大溫差為T(根據(jù)地方歷史資料查詢)，鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)為a，則這兩墩之間梁的最大理論位移量為：V=L×T×a/2；除此之外，還要考慮橋墩變形(縱向)和橋墩豎向沉降、橋面車輛荷載制動力(同時幾輛車集體剎車)、混凝土收縮、徐變等影響，所以設計值應當是V±deta(這個deta前面有正負號，因為有反方向的因素(例如溫度降低)存在)。

2.3.2 延性設計隔震位移驗算

利用MIDAS Eivil有限元軟件，建立模型(見圖4)，可以計算支座剪切力(f)與剪切變形(d)的關系。

圖4 恢復力模型

f = -P/R×d-P×μ×z

(1)

(2)

(3)

恢復力模型采用的3個公式的含義如下。

2)式(2)為微分方程，涉及變量：結構剛度k：結構確定剛度既定；軸力P：由外荷載決定。等效摩擦系數(shù)μ：由公式3求的；Sign：符號函數(shù)；滯回參數(shù)：均可采用默認值0.5。

3)式(3)涉及參數(shù)包括：μf/μs：快時、慢時摩擦系數(shù)；r：摩擦系數(shù)變化參數(shù)；v:剪切變形速度(剪切位移的導數(shù))。

一般廠家會提供各規(guī)格支座實驗數(shù)值，通過實驗數(shù)據(jù)可得到快時及慢時摩擦系數(shù)。速度變化參數(shù)r實際是按上述公式擬合曲線得到的參數(shù)；μ一般為0.01～0.06，根據(jù)產品實驗曲線比較容易確定；r一般取20sec/m這個數(shù)量級。

針對摩擦擺減震、隔震支座初始剛度K1，根據(jù)美國的經驗，可取d=2.5 mm位移時的等效剛度,K=F/d=μw/d。

設計參數(shù)及程序處理方式見表1。

表1 參數(shù)表

3 摩擦擺球形支座的加工和施工

1)支座驗收宜在加工廠內進行，因工廠內便于拆裝和再加工。驗收者可隨機抽樣，打開檢測任何指標。項目各方聯(lián)合驗收后簽字蓋章，主要驗收工作即告完成。

2)支座出廠時，表面已涂兩道防銹漆(有特殊要求可事先提出，否則由加工廠處理)，厚度應在80 ～100 μm,但運輸、貯存、安裝過程仍應注意不要磕碰。當有金屬表面裸露時，應重新涂漆。整個運輸、貯存、保管、安裝及養(yǎng)護期均應采取防水、防潮、防火措施，以免內部進水、受潮生銹或高溫破壞內部質量。

3)支座須在閉合狀態(tài)(出廠供貨狀態(tài))下與上部結構(橋梁等)螺栓連接或焊接，本項目上部采用鋼箱梁結構，支座預埋鋼板與鋼箱梁焊接。因現(xiàn)場無組裝機具且衛(wèi)生條件惡劣又無備用輔料，故不得拆卸，以免灰塵、水、異物、潮氣和臟物進入支座內部后無法修復。

4)上部結構(帶支座)安裝到位后，支座底板應落在柱頂預埋鋼板的設計位置和設計標高上。

5)上、下部結構與支座連接的連接板、預埋板應平整，除銹應達到St2.5等級。連接板與鋼筋砼基礎和預埋板應平行。如支座板與上下連接板不密合，需用楔鐵楔緊后再用高強、早強、微漲灌漿料(如RG灌漿料)或環(huán)氧砂漿灌縫，待固化后再用高強螺栓擰緊或焊接。四角和中心相對誤差應小于0.1%，且應小于1.5 mm，標高絕對誤差小于3 mm。預埋鋼板受力應滿足設計單位對拉力、壓力和剪力的要求，故需要驗算錨筋的數(shù)量和直徑，必要時錨筋應與墩內主筋焊接牢固。安裝誤差須嚴格控制。安裝前應有坐標位置、絕對標高、四角相對標高誤差記錄和處理記錄。

6)全部恒載安裝到位后，待達到或接近全年平均溫度時，再將支座底板與柱頂預埋鋼板焊接牢固。

7) 焊接采用的焊條應與母材相適應，即焊條強度應大于等于母材。如母材碳當量較高，需按焊接規(guī)范采取特殊措施。一般工程采用50系列焊條，根據(jù)底板坡口尺寸連續(xù)滿焊，焊縫等級為普通焊縫。但焊縫應采用多道分層焊接，每層焊后用小錘敲打，去除焊藥并釋放焊接應力。焊前必須經過焊接工藝評定，焊工考核合格證，方可上崗正式施焊。

8)全部支座安裝就位并焊接后，再拆除支座上蓋與底座間的連接鋼板，使支座能自由轉動。上蓋和底座的連接鋼條(鋼板)不得作為支座吊裝、安裝就位的吊點。

9)支座安裝后應做觀測記錄(標高、位移、變形、銹蝕、焊縫狀況等)，橋梁主體結構卸載前后進行一次觀測，成橋后再進行一次觀測，此后2年內每半年進行一次觀測、檢查、記錄和保養(yǎng)，并與以前結果進行對比。2年后此周期為每年1次，檢查內容包括：外觀檢查、絕對標高變化、形狀變化、支座位移值及轉角值、焊縫變化和防銹涂層的變化，檢查結果應做記錄并存檔。如觀測有困難，應設置相應構造以利觀測。如不正常，應采取措施，并應通知支座生產廠及設計單位。

4 結束語

摩擦擺球型抗震支座既可以承受較大的豎向荷載，起到減小蓋梁或墩柱截面的作用，又可以通過支座巧妙的位移功能，起到釋放溫度、收縮應力、延性變形的作用，應用前景廣闊。

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