摩擦擺支座理論研究

摘 要：摩擦擺支座是一款摩擦型耗能器，具有優異的性能。本文以永寧黃河公路大橋支座施工為例，通過有限元軟件對球形支座、柱面支座進行抗震模擬分析，為支座的設計與施工提供參考。

關鍵詞：摩擦擺；支座；技術理論文章編號：2095-4085（2024）04-0236-03

1 基本技術理論

1.1 減隔震技術

減隔震原理是結構周期的延長和地震響應的減小采用減隔震裝置的柔性到達，利用減震減能裝置對墩梁因周期延長而產生的相對位移進行控制；還應在正常使用荷載的情況下，保證有足夠的剛性，以保證結構的安全性和穩定性［1］。

1.2 普通支座力學模型

一般球狀支座或盆狀支座，又分為固定支座、單向支座和雙向支座等三種支座。規范建議可供活動支座使用的復原力模型的雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬。支座臨界滑動摩擦力，可通過滑動摩擦系數（一般取0.02）和支座豎向力獲得；xy是支座屈服位移（一般取0.002～0.005m）［2-4］。而支座的固定方向，通常認為它的剛度很大，可輸入一個較大的值模擬如108kN/m。

1.3 摩擦擺支座的力學模型

在橋梁正常使用狀態下，摩擦擺球型支座具有一般球形支座的性能，在地震作用下具有減震和隔震功能，在高烈度區可在橋梁上作減震設計。摩擦擺球型支座結構形式多樣，最早的有國外研發的鐘擺式，國內現階段采用較多的是雙曲面形式。可將摩擦擺球型支座簡化為雙折線復原力力學模型［5］。

2 案例分析

2.1 項目概況

寧夏永寧黃河公路大橋是寧夏有史以來首座跨越黃河的大型地標式景點建筑。項目建成后將進一步加快寧夏地區社會經濟發展的步伐。

大橋全長3 743.37m，包括東、西引橋700片預制T梁；跨東、西濱河大道191m連續箱梁；641m副橋連續箱梁；110m+260m+110m鉆石型雙塔雙索面斜拉橋。按雙向6車道一級公路建設，設計時速80km/h，行車道寬度2×16.5m。建設工期36個月。

河灘地段引橋上部結構主要采用50m裝配式預應力混凝土T梁；副橋采用八跨預應力混凝土連續梁；橋跨布置為（50.5+6×90+50.5）m分幅設置。

永寧黃河大橋副橋結構為預應力混凝土變截面連續箱梁橋，其結構為（50.47+6×90+50.5）m， 橋面全寬33.5m。雙柱式空心墩用于副橋和引橋的聯接墩，墩頂橫橋向均設置GZQZ系列隔震球型支座，每墩頂2個。聯接墩支座均有6m的橫向間隔。中墩采用花瓶式空心墩，墩頂橫橋向設置FPQZ系列摩擦擺球型支座，每墩頂2個，橫向間距6m。現取單幅橋作為分析結構。

橋梁上部結構為預應力混凝土變截面箱梁，單幅每個墩上采用兩個支座，現對兩種減隔震方案進行比較。

方案1：過渡墩采用GZQZ4.0摩擦擺球型支座，摩擦擺球型支座和柱面支座用于主墩支座［6］。柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300其性能為一個方向可以自由滑動，而另一個方向則是在發生相對滑動時可以發揮能量消耗的曲面。其中33#、34#、38#、39#墩外側支座采用的是柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300，其余主墩都采用的是摩擦擺球型支座。

方案2：過渡墩同樣采用GZQZ4.0摩擦擺球型支座，主墩支座布置是將原來的柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300替換為摩擦擺球型支座FPQZ-30000-SX-e300，其余支座不變。

2.2 有限元建模分析

利用有限元通用分析軟件MidasCivil構建結構的三維模型。梁單元模擬主梁、橋墩和基礎，采用等代土制彈簧模擬樁土的共同作用，用M法計算等代土制彈簧的剛度。支座的模擬采用上文所述的模擬方式。

從兩個方案的兩種工況進行分析對比，一個是小震情況下E1地震作用，另一個是大震情況下E2地震作用。對于摩擦擺球型支座，在固定方向是設有限位擋塊的，在地震作用下當支座水平剪切力到達一定大小時限位擋塊熔斷，釋放出二次位移。在此假定限位塊在E1地震時不發生熔斷，限位塊在E2地震時發生熔斷，支座自由擺動。

采用設計反應譜通過軟件模擬得到E1、E2地震波，兩個工況分別模擬3條地震波，結果取3條波的最大值。

3 結構響應分析

3.1 E1作用響應（限位不熔斷）

在E1地震作用下方案1和方案2各支座的固定方向限位擋塊未斷開，結構體系類似于抗震結構體系。以下是結構關鍵位置的地震響應對比（見圖1～圖3）。

從圖1～圖3所示的結構地震響應可以得出：在E1地震作用下，支承體系還處于抗震結構體系，36#墩為本聯的固定墩，剛度最大，所以順橋向地震作用時其響應最大；而橫橋向地震作用時，各墩均有一個縱向支座（橫橋向是限位的），所以橫向地震作用是各墩受力相差不大，出現差異的原因，主要是由于每個墩的高度不同，墩的截面也不一樣。在此可以認為，兩種方案的地震反應結果在E1地震的作用下基本是相同的。

3.2 E2作用響應（限位熔斷）

在E2地震作用下假設方案1和方案2各支座的固定方向限位擋塊全部同時斷開，釋放出支座的二次位移，結構體系變為減隔震體系。以下是結構關鍵位置的地震響應對比（見圖4～圖6）。

從圖6～圖8所示的結構地震響應可以得出：在E2地震作用下， 假設支座限位裝置熔斷， 釋放出二次位移，原來為支座固定的方向變成了可自由擺動的，支座剛度相對來說大大減小，所以整個結構的隔震效果很好，主要體現在順橋向的固定墩和橫橋向墩的響應減小了。E2地震作用下兩方案的區別在于33#、34#、38#、39#墩外側采用了不同的支座，一個是柱面支座，一個是摩擦擺球型支座。由于體系是基本一樣的，所以周期振動基本上兩個方案是一致的，結構響應也相差很小。

4 結論

對于預應力混凝土變截面連續梁橋，在采用動力時程分析方法分析了對采用不同柱面支座和摩擦擺球型支座的同個結構后，得出以下結論：從支座恢復力力學模型上對比，柱面支座和摩擦擺球型支座有所區別。柱面支座單向支座一個方向是曲面，靠摩擦及動勢能轉換耗散能量；而另一個方向是平面滑動，只能是靠摩擦耗能。摩擦擺球型支座是水平兩個方向都是靠摩擦及動勢能轉換耗散能量。但就軟件模擬支座力學模型上來說，兩者的各水平剛度相差不大。所以計算出來的結構特征值差別不大，地震響應結果也非常接近。

參考文獻：

［1］蔣利施，劉棟海.生態展示溫室的結構設計探索［J］.農業工程技術，2019，39（16）：46-50.

［2］安振源，牛亞峰，張乾坤.大跨連續梁橋不同支座體系地震響應對比及參數研究［J］.公路交通技術，2020，36（2）：63-69.

［3］辛兵，王克海，徐升橋.京新高速上地斜拉橋抗震設計分析［J］.鐵道勘察，2012，38（6）：79-84.

［4］王劍明，伍大成，趙鵬賢，等.橋梁分級減震支座抗震性能分析［J］.交通科技，2019（6）：68-71.

［5］曾永平，董俊，陳克堅，等.九度地震區高鐵簡支梁減隔震體系適應性分析［J］.鐵道工程學報，2020，37（2）：46-52.

［6］郭趙元，陳仲揚，江臣，等.長聯大跨復雜橋梁抗震設計及其方案優化［J］.南京工業大學學報（自然科學版），2020，42（3）：333-341.