高震區梁式渡槽摩擦擺支座參數敏感性分析

何俊榮 尤嶺 李世平 朱璨

摘要：以滇中引水工程積福村輸水梁式渡槽工程為背景，選取最高墩和最矮墩為研究對象，采用非線性時程分析法，計算分析了縱向、橫向設計地震作用下，摩擦擺支座滑動面曲面半徑R和摩擦系數μ對支座水平位移、墩底彎矩的影響。結果表明：① 在水平地震作用下，在曲面半徑R一定時，支座水平位移隨著滑動摩擦系數μ的增大而減小;當μ值在0.02～0.04之間變化時影響最明顯，μ值接近0.1時，支座位移趨于一致。② 在縱向地震作用下，墩底彎矩隨μ增大而增大。③ 在橫向地震作用下，當R取2 m時，墩底橫向彎矩隨μ值增大而增大;當R值在3～10 m之間變化時，墩底橫向彎矩則隨μ值的增大而出現先減小后增大的趨勢，存在明顯的拐點。相關參數研究成果對摩擦擺支座設計制造具有重要參考價值。

關 鍵 詞：摩擦擺支座; 梁式渡槽; 滑動曲面半徑; 滑動面摩擦系數; 敏感性分析; 滇中引水工程

中圖法分類號： TV672.3;TV312 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.022

0 引 言

減隔震支座通過自身的剪切變形來延長結構周期和增加結構阻尼，能夠較好地消耗地震能量，有效減小結構的地震響應。因其技術較為成熟，已被廣泛運用于橋梁減隔震技術中。

1985年，美國Zayas等人提出了摩擦擺隔震理念。同年，摩擦擺支座由美國地震保護體系（EPS）公司發明，并首先用于房屋建筑，而后應用到橋梁、大型儲油罐等結構上。1990年，Tsopelas等首次通過摩擦擺橋梁試驗，驗證了摩擦擺支座的隔震性能[1]。中國方面，李大望等對隔震結構的性態和地震反應進行了分析，建立了摩擦擺支座的非線性微分方程[2];楊林等完成了中國第一個運用摩擦擺隔震裝置的模擬地震振動臺試驗[3];劉衛然等基于摩擦擺隔震剪切型結構的振動微分方程，進一步研究了該系統的振動形態，并分析了改變摩擦系數和滑道半徑對結構隔震效果的影響[4];吳宜峰等以高烈度區三跨預應力混凝土連續梁橋為例，計算了橋梁在不同摩擦擺支座參數組合下的隔震效果，并研究了支座參數對隔震效果的影響[5];劉學強以大跨度連續梁橋為研究對象，研究了摩擦擺支座的布置方式以及支座的力學參數取值對結構地震響應的影響[6];王力等以長聯大跨連續梁橋為背景，分析了地震動輸入模式、地震動強度、摩擦擺支座參數對該橋內力、位移和能量響應的影響[7]。

輸水渡槽與橋梁在結構形式和受力特點上基本一致，主要區別在于運營期通行的荷載有所不同。渡槽上部結構具有頭重、腳輕的特點，采用摩擦擺支座，利用上部結構自重產生摩擦力進行耗能，可以達到較好的減隔震效果[8]。

目前，中國對摩擦擺支座的減隔震性能的研究基本集中在橋梁工程領域，而在渡槽上的運用鮮有研究。有鑒于此，本文以滇中引水工程大理Ⅰ段積福村梁式輸水渡槽工程為背景，分析研究摩擦擺支座在不同設計參數組合下的減震耗能效果，以便為高震區梁式渡槽工程中摩擦擺支座的設計選型提供一定的參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

滇中引水工程大理Ⅰ段積福村梁式輸水渡槽設計流量為135 m3/s，屬于1級建筑物，雙線為U型布置。槽身段設計為17×30 m預應力混凝土U型簡支結構，如圖1所示。渡槽總長為510.0 m，槽身高度為7.0 m，槽寬為8.3 m。渡槽總體布置如圖1所示。

渡槽的下部結構采用圓端形空心墩配鉆孔灌注樁作為基礎，如圖2所示。槽墩帽梁高為4.5 m，平面尺寸為10.8 m×6.1 m;墩身縱向壁厚為0.8 m，橫向壁厚為1.0 m，圓端半徑為1.6 m，墩身高度為9.0～30.0 m;承臺平面尺寸為21.7 m×11.7 m，厚為3.5 m;基礎采用16根直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁，呈6排梅花形布置。

1.2 場地地震動參數

工程區地震基本烈度為Ⅷ度。根據工程區場地地震安全性評價報告，50 a超越概率10%的水平向加速度代表值為2.99 m/s2，特征周期為0.45 s，阻尼比取0.05。安全性評價報告中提供的3條地震時程波如圖3所示，時程分析結果取其中最大值。

2 摩擦擺支座工作原理

2.1 隔震原理

摩擦擺隔震支座是一種利用鐘擺原理實現減隔震功能的支座，具有承受豎向荷載和水平位移的能力。支座通過滑動界面的摩擦消耗地震能量來實現減震功能，通過球面擺動延長結構運動周期來實現隔震功能[9]，其運動形式如圖4所示。當滑動界面受到的地震作用超過靜摩擦力時，滑塊開始在圓弧面內滑動，使上部結構輕微抬高，發生單擺運動，同時支座在重力的作用下將朝中心位置自動回復。

2.2 回復力模型

3 有限元分析模型

本文研究的渡槽為單跨30 m的簡支結構，選取能反映整體結構主要形態及特點的第4跨至第13跨，借助于MIDAS/CIVIL軟件，建立了三維空間有限元分析模型，如圖7所示。

考慮到樁土的作用，對樁基礎采用了基于m法的土體等效彈簧開展模擬。模型兩端相鄰渡槽的作用，是以集中質量的形式施加于槽墩蓋梁支座中心處，包括一跨槽身及水體重量的一半。按照水工抗震規范[12]，將槽內水體在地震作用下的模擬分為沖擊動水壓力和對流動水壓力2個部分予以加載。渡槽支座均布置摩擦擺支座，采用MIDAS軟件自帶的“摩擦擺隔震裝置”單元開展模擬。

4 摩擦擺支座參數分析

4.1 支座參數取值

第4跨至第13跨渡槽結構中，最高墩為6號墩，墩高為30 m;最矮墩為9號墩，墩高為9 m。本文以6號墩和9號墩為研究對象，系統研究摩擦擺支座2個主控參數，即滑動曲面半徑R和滑動面摩擦系數μ的不同取值對地震響應的影響規律。參照摩擦擺支座常用的取值范圍，本文分別取R=2，3，5，8，10 m，取μ=0.02，0.04，0.06，0.08和0.10進行參數分析。

4.2 縱向地震響應分析

在縱向地震作用下，支座曲面半徑R、摩擦系數μ對6號高墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖8～9所示。

對9號矮墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖10～11所示。

（1） 不論是高墩還是矮墩，當曲面半徑R一定時，支座位移隨著滑動摩擦系數μ的增大而減小，當μ值在0.02～0.04之間變化時，對支座位移的影響最為明顯，在0.06～0.08之間次之，當μ值接近0.10時，不同R值下的支座位移趨于一致。滑動摩擦系數μ一定時，曲面半徑R越大，支座位移越大。

（2） 曲面半徑R一定時，高墩和矮墩的墩底縱向彎矩均隨著滑動摩擦系數μ的增大而增大。

4.3 橫向地震響應分析

在橫向地震作用下，支座曲面半徑R、摩擦系數μ對6號高墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖12～13所示。對9號矮墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖14～15所示。

由圖12～15可以看出：

（1） 在橫向地震作用下，R與μ對支座位移的影響規律與縱向地震下的影響規律基本一致。無論高墩或矮墩，在曲面半徑R一定時，滑動摩擦系數μ越大，支座位移越小，當μ值在0.02～0.04之間變化時，對支座位移的影響最為明顯，μ值接近0.10時，不同R值下的支座位移趨于一致。

（2） 在橫向地震作用時，當R取2 m時，墩底橫向彎矩隨著μ值的增大逐漸增大;當R值在3～10 m之間變化時，墩底橫向彎矩則隨著μ值的增大出現先減小后增大的趨勢，墩底最小彎矩出現在μ值取0.06～0.08之間。

5 結 論

（1） 總體而言，在水平地震作用下，無論是高墩還是矮墩，支座水平位移在曲面半徑R一定時，隨著滑動摩擦系數μ增大而減小。當μ值在0.02～0.04之間變化時，對支座位移的影響最為明顯，μ值接近0.10時，不同R值下的支座位移趨于一致。

（2） 在縱向地震作用下，曲面半徑R一定時，高墩和矮墩的墩底彎矩均隨著滑動摩擦系數μ的增大而增大。

（3） 在橫向地震作用時，R與μ對墩底彎矩的影響較為復雜。當R取2 m時，墩底橫向彎矩隨著μ值的增大而增大;當R值在3～10 m之間變化時，墩底橫向彎矩則隨著μ值的增大出現先減小后增大的趨勢，存在明顯的拐點，拐點出現在μ為0.06～0.08之間。

（4） 輸水渡槽中的水體在上部結構總重量中的占比大，抗震計算中，順槽向一般不計水體附加質量，橫槽向則需考慮全部水體的動水作用，故橫向地震作用下的摩擦擺支座位移要遠大于縱向地震。在減隔震設計中，應注意結合選取的支座控制參數，為摩擦擺支座發揮減震耗能作用預留足夠的位移工作空間。

參考文獻：

[1] TSOPELAS P，CONSTANTINOU M C，KIM Y S，et al.Experimental study of FPS system in bridge seismic isolation[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamic，1996，25（1）：65-78.

[2] 李大望，周錫元，霍達，等.FPS隔震結構的性態和地震反應分析[J].工程抗震，1996（1）：6-9.

[3] 楊林，常永平，周錫元，等.FPS隔震體系振動臺試驗與有限元模型對比分析[J].建筑結構學報，2008，29（4）：66-72.

[4] 劉衛然，魏建國，劉京紅.摩擦擺隔震結構的地震響應分析[J].山西建筑，2006，32（20）：11-12.

[5] 吳宜峰，李愛群，王浩.連續梁橋摩擦擺支座參數分析與優化[J].橋梁建設，2015（1）：20-25.

[6] 劉學強.大跨度連續梁橋摩擦擺支座布置及參數研究[J].鐵道標準設計，2016，60（11）：70-76.

[7] 王力，楊延超，劉世忠，等.長聯大跨摩擦擺支座隔震連續梁橋多維地震反應分析[J].世界地震工程，2020，36（2）：129-137.

[8] 何俊榮，尤嶺，李世平，等.高烈度區梁式渡槽減隔震設計研究[J].水利規劃與設計，2019（9）：140-145.

[9] 陳廣進，付強，趙九平，等.公路橋梁摩擦擺式減隔震支座：JT/T 852-2013[S].北京：人民交通出版社，2013.

[10] 張新忠，何宇森，唐克東.基于摩擦擺支座的城市高架橋梁隔震性能研究[J].工程抗震與加固改造，2020，42（1）：90-95.

[11] 朱開才.基于摩擦擺支座的長聯大跨連續梁橋減隔震性能參數分析[J].城市道橋與防洪，2018（12）：144-147.

[12] 水電水利規劃設計總院.水電工程水工建筑物抗震設計規范：NBT 35047-2015[S].北京：中國電力出版社，2015.

（編輯：趙秋云）