摩擦擺橋梁基于性能的抗震設計

【摘" " 要】：為了實現橋梁實際工作狀態與抗震設計模型吻合，通過對常規摩擦擺支座的數值分析及模型試驗，揭示當前固定摩擦擺與活動型摩擦擺不能“同步擺動”的工作狀態。速度鎖定型變曲率摩擦擺能合理控制支座在橋梁正常使用和不同水準地震下的工作方式，達到基于性能的抗震設計目標，切實提高橋梁抗震性能，節約工程造價。

【關鍵詞】：摩擦擺支座；滯回性能；抗震設計;橋梁

【中圖分類號】：U443.5 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-33-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.009

Performance-Based Seismic Design of Friction Pendulum Bridge

【Abstract】： In order to realizes that the actual working state of bridges coincides with the seismic design model ，through numerical analysis and model test of conventional friction pendulum bearings， it is revealed that the current working state of fixed friction pendulum and movable friction pendulum can not \"synchronously swing\" . Velocity-locked variable curvature friction pendulum can reasonably control the different working modes of bearings under the normal use of bridges and different levels of earthquakes， achieve the performance-based seismic design objectives， effectively improve the seismic performance of bridges and save engineering costs.

【Key words】： friction pendulum system; hysteretic behavior; seismic design；bridge

摩擦擺支座是利用上部結構自身的重力使得上部結構在摩擦力較小的滑動圓弧面上滑動，通過滑動層之間的摩擦力對輸入的地震能進行耗能，亦能減少向上部結構傳遞的地震能量，所以具有保護上部結構的功能［1～2］。摩擦擺減隔震支座應用在建筑結構上是比較成功的，一是建筑底部可按照支座承載能力布置多個支座，支座起始力要求較低；二是建筑結構一般沒有水平向的相對溫度位移，可全部采用“固定型”支座，當地震水平力克服起始力后，支座可基本實現同步擺動。

而橋梁為適應上部結構溫度變形及混凝土收縮徐變等，往往僅在一聯中間或者靠近中間位置的墩頂設置固定支座，其余墩上均設置滑動支座，這樣就存在固定墩和滑動墩如何“協同工作”的問題[3]。

本文通過對速度鎖定型變曲率摩擦擺式支座的理論分析和試驗研究，指導摩擦擺支座連續梁橋的抗震設計，實現橋梁實際工作狀態與抗震設計模型的吻合，確保橋梁抗震性能及安全。

1 摩擦擺抗支座震性能研究

1.1 常規摩擦擺支座

1.1.1 構造及工作原理

摩擦擺支座分為固定型（D=0）和活動型（Dgt;0）。見圖1。

固定型摩擦擺只含有摩擦擺的擺動副，活動型摩擦擺含有活動支座的滑動副和摩擦擺的擺動副。 在地震狀態下，由于滑動副的存在，導致活動型摩擦擺與固定型摩擦擺不能同步工作[4]。

1.1.2 實際工作狀態

1）無法確保 “E1彈性”的工作狀態。常規摩擦擺支座剪力開關為豎向承載力的5%～15%，實際工程中，經常出現支座地震水平力超過其豎向承載力的15%乃至更多的情況，導致E1階段，支座進入非線性狀態（震后剪力開關需要維修）。

2）E1階段“一墩獨大”。E1地震作用下，固定墩承擔地震力，活動墩僅承擔支座摩阻力，不能充分發揮活動墩水平承載潛力。

3）E2階段，活動摩擦擺“只滑不擺”。數值分析結果表明，活動型摩擦擺在實際地震計算模擬中主要起作用的是滑動副，擺動副基本沒有發揮作用。圖2。

4）軟弱場地易引起地基和橋梁共振。隔震結構在遭遇長周期脈沖型地震波激勵時易產生低頻共振的問題。

1.2 速度鎖定型變曲率摩擦擺支座

1.2.1 構造與工作原理

為了解決普通摩擦擺支座在橋梁工程應用中存在的問題，在變曲率摩擦擺支座上安裝速度鎖定器，提出了一種復合型摩擦擺支座——速度鎖定型變曲率摩擦擺式支座。見圖3。

1）正常使用階段，速度鎖定器不工作，滿足正常使用狀態下的位移要求；E1地震作用下，速度鎖定器將活動摩擦擺支座的上蓋與擺體瞬時鎖定，橋梁進入多個橋墩一起“聯合抗推，共同抗震”的彈性抗震階段；E2地震作用下，速度鎖定器將活動摩擦擺支座的上蓋與擺體繼續鎖定，與固定型摩擦擺支座同時打開設置于擺體與底座之間的支座剪力開關，橋梁進入各支座“同步擺動，聯合減震”的理想減隔震階段[5]。

2）剪力開關：綜合考慮橋梁縱橫向的抗震需求，合理控制剪力環的打開時機，橋梁縱橫向同時實現“E1彈性，E2減隔震”的性能目標。

3）變曲率減震滑板：避免共振，耗能能力更強[6]。

1.2.2 抗震設計

選取工程上具有代表性的3種典型跨徑30 m+30 m+30 m、40 m+60 m+40 m、65 m+100 m+65 m進行數值模擬分析。

1）橋梁增設工作開關。速度鎖定器使得多墩柱參與抗震，能有效減小開關水平力，降低設計難度。見圖4。

2）E1階段“各墩聯合抗推，共同抗震”。改變墩高H（調節自振周期T），4種場地類型，共計144個工況，得到速度鎖定器減震效率分布可以有效判斷橋梁設置速度鎖定器后的減震效率及適用性。見圖5。

A、B、C區非常適合布置速度鎖定器且鎖定器個數越多，減震效率越高。

3）E2階段“各支座同步擺動，聯合減隔震”。選取48條地震波、3個分區、4種場地、3種跨徑，不同支座布置，共計432種工況。見圖6。

場地類別越高、地震動峰值加速度越大，減震效果越好。

4）變曲率摩擦擺能避免共振，具有更高耗能作用。采用Abaqus軟件進行模擬：構件采用實體“3D Stress”單元；接觸對均采用“Surface-to surface contact”，切向接觸屬性采用“Penalty”摩擦函數。見表1。

2 振動臺試驗分析

2.1 試驗模型

采用目前世界上最先進的MTS振動臺控制和數據采集系統——同濟大學地震振動臺。

模型設計、制作和地震激勵輸入嚴格按照相似理論進行，相似常數為1/15，相似方程

式中：[SE]為材料彈性模量相似常數；[Sρ]為材料彈性密度相似常數；[Sα]為加速度相似常數；[Sl]為長度相似常數。

根據相似方程式求出密度相似常數4.5；最后由相似量綱分析法確定其余相似常數，主要物理量的相似比常數見表2。

試驗模型為3×2 m連續梁；5種支座布置形式，共計53個試驗工況。見表3。

2.2 試驗分析

模型一、二均為常規摩擦擺橋梁布置形式，E1、E2工況下，僅固定摩擦擺發揮作用。 模型三在中墩加裝速度鎖定器后，在E1工況下固定墩地震力減少30%～40%。模型四在中墩和邊墩加裝速度鎖定器后， 在E1工況下固定墩地震力減少45%～60%。模型三在中墩加裝速度鎖定器后，在E2工況下固定墩地震力減少18%～25%。模型四在中墩和邊墩加裝速度鎖定器后，在E2工況下固定墩地震力減少28%～35%。變曲率摩擦擺支座較等曲率摩擦擺支座減震效果更好，地震力能減少8%～23%。見圖7。

3 結論

速度鎖定型變曲率摩擦擺支座能夠控制橋梁在正常使用及不同水準地震作用下的工作性能，實現橋梁實際工作狀態與抗震設計模型的吻合，達到摩擦擺橋梁基于性能的抗震設計目標。

參考文獻：

[1]Rabiei M， Khoshnoudian F．Response of multistory friction pendulum baseisolated buildings including the vertical com-ponent of earthquakes[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2011，38（10）：1045-1059．

[2]Ray T ，Sarlis A A ，Reinhorn M A ， et al.Hysteretic models for sliding bearings with varying frictional force[J].Earthquake Engineering amp; Structural Dynamics，2013，42（15）：2341-2360.

[3]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，2015，45（1）：20-25．

[4]夏修身，陳興沖，王希慧，等．剪力鍵對隔震橋梁地震反應的影響[J]．地震工程與工程振動，2012，32（6）：104-109．

[5]侯海彪，黃志毅，許明杰.成灌線連續梁速度鎖定支座的設計及應用[J].價值工程，2012，31（27）：136-138.

[6]鄧雪松，龔健，周云.變曲率摩擦擺隔震支座理論分析與數值模擬[J].土木建筑與環境工程，2011，33（1）：50-58.