摩擦擺支座不同步受力對地震響應(yīng)的影響

胡瑾希

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

目前在城市高架橋梁的設(shè)計中，對于跨越路口、避讓管線等特殊節(jié)點區(qū)域，往往需要采用大跨結(jié)構(gòu)，這其中抗震方式的選擇尤為重要。傳統(tǒng)的抗震為延性抗震，通過加大立柱截面尺寸，提高自身能力來抵抗地震作用，但自身剛度的提高又將造成地震作用的進一步加大，立柱受力的加大，造成樁基受力同步增大，工程量加大，這種惡性循環(huán)導(dǎo)致工程并不經(jīng)濟。而減隔震技術(shù)，卻與此相反，通過弱化特殊部位使其發(fā)生大變形來消耗地震能量，同時結(jié)構(gòu)柔度的增加，使得地震反應(yīng)也相應(yīng)降低，從而保證主體結(jié)構(gòu)的安全。而這個特殊的部位，常用的主要就是支座和阻尼器。地震后最多只需要更換支座，甚至可能只是更換支座的某個零件就能滿足結(jié)構(gòu)使用要求，使得工程經(jīng)濟性迅速提高。

常用的減隔震支座主要有：高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺減隔震支座、拉索減隔震支座等。不同支座均有各自適宜使用的環(huán)境。現(xiàn)主要對摩擦擺支座進行研究分析。

1 摩擦擺支座介紹

摩擦擺的活動，主要靠三塊滑板：平面滑板、球面滑板、減震（圓弧）滑板,如圖1 所示。其中平面滑板與球面滑板組成了常規(guī)的球鋼支座，前者負責(zé)平動、后者負責(zé)轉(zhuǎn)動；底部圓弧形的減震滑板則是摩擦擺減震的核心。

圖1 雙向活動摩擦擺支座構(gòu)成圖[1]

靜力工況下，剪力銷將底部圓弧滑板鎖定，摩擦擺支座與常規(guī)球鋼支座相同，通過平面滑板與球面滑板滿足靜力下的位移需求；地震作用下，剪力銷剪斷，圓弧滑板才參與工作。圓弧滑板的工作原理類似單擺，上部結(jié)構(gòu)的自重分力將成為單擺的回復(fù)力，同時擺面的摩擦效應(yīng)也將消耗地震能量。

2 摩擦擺支座傳統(tǒng)模擬方法

摩擦擺支座傳統(tǒng)模擬方式均是考慮所有支座同步受力，相當(dāng)于所有支座均是固定支座，沒有自由程。摩擦擺規(guī)范[1]對摩擦擺支座的性能要求也僅是針對底部的圓弧滑板，性能試驗采用也是固定支座。

實際上一座橋梁包括了多個類型支座，對于活動支座，不論是否地震，平面滑板均發(fā)揮著作用。當(dāng)?shù)卣鹱饔孟拢撞繄A弧滑板發(fā)揮作用時，由于不同支座的平面滑板自由程是不相同的，將導(dǎo)致多個支座的減震作用不同步。

傳統(tǒng)做法均只考慮底部的圓弧滑板的作用，認為所有圓弧滑板同時同步發(fā)揮作用，忽視了頂部的平面滑板。而這造成了對地震位移估算的不準確。

3 考慮支座不同步受力的精細模擬方式

為評估這一影響，現(xiàn)結(jié)合實際工程，采用通用有限元軟件MIDAS CIVIL，精細模擬摩擦擺支座的平面滑板與圓弧滑板。

圓弧滑板的恢復(fù)力模型，主要是考慮了擺動面的摩擦和擺動造成的重心上升。兩者是并聯(lián)關(guān)系。平面滑板的摩擦作用效應(yīng)采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬。其恢復(fù)力模型如圖2 所示。

圖2 圓弧滑板(左)與平面滑板（右）恢復(fù)力模型[2]

其中：Dd為支座的減隔震位移，R 為圓弧曲率半徑，W 為豎向力，μd為圓弧面摩阻系數(shù)，F(xiàn)max為平面滑板的臨界滑動摩擦力。

同時，平面滑板的自由程有限，超過設(shè)定值時，將與支座上鋼板下的限位擋板發(fā)生碰撞。在MIDAS CIVIL 將使用勾和間隙兩個類型的連接共同模擬平面滑板的自由程。

綜合來看，就是平面滑板（雙線性彈簧+ 勾+ 間隙）與減震（圓弧）滑板的并聯(lián)。因此，通過建立三個節(jié)點以模擬整個支座體系，如圖3 所示。相比傳統(tǒng)做法，主要是增加了節(jié)點A 至節(jié)點B 的三個非線性單元。

圖3 MIDAS 支座模擬示意圖

4 工程算例分析

上海市浦東地區(qū)兩港大道，節(jié)點橋梁（45+70+45）m，為鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)變高連續(xù)梁橋，相鄰聯(lián)為簡支變連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)。主橋橋?qū)?6.1 m，中墩采用2.2 m×2.8 m 雙立柱，中立柱高度約14 m，雙柱頂部橫向向外分開，直接布置支座，雙柱頂設(shè)置系梁相連；邊立柱與小箱梁標(biāo)準段相同，均為1.6 m×1.8 m雙立柱，柱頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力蓋梁。主橋中墩采用摩擦擺減隔震設(shè)計，邊墩采用普通球鋼支座，相鄰聯(lián)為延性設(shè)計。過渡墩處小箱梁邊墩采用球鋼支座，其余部位小箱梁支座采用普通板式橡膠支座。主橋中墩摩擦擺支座，圓弧滑板參數(shù)均相同。

全橋模型如圖4 所示，主橋支座布置如圖5 所示。

圖4 全橋有限元模型

圖5 主橋支座布置示意圖

支座活動方向平面滑板自由程，縱向為150 mm，橫向40 mm。限位方向，自由程為0。由于橫向自由程一般遠小于縱向自由程，不失一般性，主要對縱向地震進行分析。

E2 地震下，小箱梁聯(lián)立柱將發(fā)生屈服，采用纖維模型設(shè)置塑性鉸進行模擬，主橋中墩支座剪力銷剪斷后，摩擦擺發(fā)揮作用。

摩擦擺減隔震體系，E2 地震分析，主要是確定支座的減隔震參數(shù)和端縫需求量。減隔震參數(shù)影響地震響應(yīng)，而端縫直接影響的就是伸縮縫型號的選擇，過大的端縫將導(dǎo)致伸縮縫型號加大，間接影響行車舒適性。同時，端縫大小還影響支座位置、蓋梁寬度、過渡墩的基礎(chǔ)偏心設(shè)置等。因此，端縫的準確模擬非常重要。同時，梁端設(shè)置合理的間隙可以減輕甚至避免梁端碰撞問題，這也是城市抗震規(guī)范[2]的強制性條文要求。

下面主要從支座變形、梁端位移、端縫三個角度進行對比分析。

工況一：所有支座同步受力。不考慮平面副作用，僅考慮底部圓弧面作用。

由于不考慮平面滑板的作用，此時各個中支座抗震情況均相同。提取固定支座結(jié)果如圖6 所示。

圖6 固定支座 剪力- 變形曲線圖

工況二：同時考慮平面副與圓弧副作用（中墩四個摩擦擺受力不同步）。下面主要對雙向活動支座與固定支座進行對比。提取主要結(jié)果如圖7～圖10 所示。

圖7 雙向活動支座與固定支座 變形- 時間曲線圖

圖8 固定支座 剪力- 變形圖

圖9 活動支座（圓弧）剪力- 變形曲線圖

圖10 活動支座（平面）剪力- 變形曲線圖

表1 為主要結(jié)果匯總表。

表1 主要結(jié)果匯總表

5 計算結(jié)果分析

（1）從圖7 可以看出，支座的圓弧面反應(yīng)比較滯后，基本在平面行程達到150 mm 才開始起作用，之后再于150 mm 位置維持一段時間，這期間圓弧面只變形了約50 mm，隨后反向地震作用，圓弧面基本維持在原位置，只有當(dāng)平面反向運行到150 mm 位置之后才開始運動，如此反復(fù)。

在地震作用下，固定支座是直接在圓弧面上運動，而活動支座，由于平面滑動的阻力遠小于圓弧面上的滑動加擺動，故非制動中墩，將優(yōu)先發(fā)生平面滑動，將平面自由程消耗完畢后，與頂板限位板碰撞后，平面上不再滑動，然后其底部的圓弧面才發(fā)揮作用。最終不同步受力時，制動墩與非制動墩的摩擦擺支座減隔震位移差異較大，從表1 數(shù)值上可以看出，差異約為支座的縱向自由程。

雖然圓弧面減隔震位移差異較大，但是固定支座與活動支座的總變形基本一致，主要是平面滑板的作用，圖10 顯示平面滑板的滯回曲線也是非常飽滿。

（2）同步受力工況，固定支座的減隔震位移小于不同步工況下的減隔震位移。

從表1 數(shù)值上，可以看出同步受力時，支座減隔震位移近似為不同步受力固定支座和活動支座減隔震位移的平均值。

（3）從表1 的數(shù)值上，可知固定支座減隔震位移的差值241-160=81 mm，梁端最大變形的差值263-178=85 mm，端縫最大閉合量的差值277-198=79 mm，差值均與平面滑板縱向自由程的一半150/2=75 mm 較為接近。且均為不同步受力時變形更大。

（4）支座最大剪力與減隔震位移存在對應(yīng)關(guān)系，同時剪力的差異也將造成橋墩內(nèi)力的差異，傳統(tǒng)做法下中墩受力均相同，而考慮不同步的實際情況仍然是制動墩受力遠大于非制動中墩，且不同步受力時，制動墩受力比同步受力時大了32%。

6 結(jié)語

本文分析了摩擦擺支座同步受力與不同步受力在地震響應(yīng)上的差異，得出不同步受力時，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更大的結(jié)論，傳統(tǒng)的支座同步受力分析模式在位移估算上偏不保守，對制動墩的內(nèi)力計算亦偏小。但從數(shù)值上，兩種方法的位移地震響應(yīng)與活動支座的縱向自由程存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。

雖然不同步受力模式模擬實際情況更真實，但是該方法也有不足之處，由于非線性單元較多，有限元計算的速度大大降低，相比同步受力分析模式，所花費的時間需多數(shù)倍甚至數(shù)十倍。在工程設(shè)計中仍需根據(jù)設(shè)計的不同階段采取合理的計算假定，不宜盲目精細化。

了解了支座不同步受力時的地震響應(yīng)機理和同步受力與不同步受力的差異，對工程設(shè)計時地震變形的估算可以進行更有效的預(yù)判，可為以后類似工程提供借鑒。