摩擦擺減隔震支座在高烈度區(qū)高架橋的減震效果分析

郭俊偉

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 ，上海 200092）

0 引言

摩擦擺式減隔震支座是依靠聚四氟乙烯與不銹鋼板組成的摩擦副摩擦耗能的減隔震裝置。由于其具有構(gòu)造簡單、良好的自回復(fù)、抗平扭能力，同時(shí)施工簡單，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了國外學(xué)者廣泛深入研究，近年來已被成功應(yīng)用于建筑、橋梁、化工、電力等重大工程項(xiàng)目的抗震減災(zāi)中。國內(nèi)學(xué)者正逐步將其引入國內(nèi)橋梁的抗震設(shè)計(jì)中。

我國是個(gè)地震多發(fā)的國家，在8度及以上的高烈度區(qū)域建設(shè)橋梁，地震作用成為控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。將摩擦擺支座引入到高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)不失為一種可靠的解決方案。然而該類支座在強(qiáng)震下滯回耗能能力及模型參數(shù)的選取對減震效果的影響成為設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。本文首先介紹摩擦擺式支座工作原理，然后通過對高烈度區(qū)某高架橋梁的支座參數(shù)分析，研究討論支座參數(shù)對減隔震效果的影響及選取支座參數(shù)的原則和方法。

1 摩擦擺減隔震支座種類及工作原理

FPS支座類型繁多，總體而言可分為上部滑動式（頂板底面為滑動面如圖1所示）和下部滑動式（底板頂面為滑動面如圖2所示）兩種。

工作原理大致相同：中間層滑塊由高強(qiáng)抗壓材料構(gòu)成，滑塊的圓弧形滑動面在下部結(jié)構(gòu)發(fā)生地震位移的時(shí)候，由于上部結(jié)構(gòu)的重力及底板滑動面的圓弧形設(shè)計(jì)，總能產(chǎn)生向心的回復(fù)力，同時(shí)在整個(gè)地震位移過程中滑塊和滑動面之間通過摩擦耗散能量。另一方面由于滑塊的轉(zhuǎn)動面與上蓋板的關(guān)節(jié)接觸方式，上部結(jié)構(gòu)總能保持水平狀態(tài)。

圖1 雙曲面球形減隔震支座示意圖

圖2 FPS支座主要工作原理示意圖

為了防止摩擦擺支座在正常運(yùn)營中出現(xiàn)有害振動，需要設(shè)置抗震栓。從而保證支座在正常運(yùn)營中實(shí)現(xiàn)限位功能，在地震作用下，抗震栓剪斷，支座滑動實(shí)現(xiàn)減隔震功能。

2 摩擦擺減隔震支座減隔震效果分析

2.1 分析模型的建立

本文以某地區(qū)地震基本烈度為8度，水平向設(shè)計(jì)地震動加速度峰值為0.3 g的某高架橋?yàn)楣こ瘫尘?，取橋?qū)挒?5.5 m，跨徑組合為3×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為研究對象，利用SAP2000軟件進(jìn)行分析。橋梁橫斷面見圖3所示。中墩支座噸位15000 kN，邊墩支座噸位7000 kN。為了準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，模型考慮邊界聯(lián)及樁土作用的影響。計(jì)算模型如圖4所示。

模型中摩擦擺支座采用考慮動軸力耦合的FP模型模擬。支座慢速摩擦系數(shù)取為0.01，0.02，0.03，0.04，0.05；支座曲率半徑取為3m，5m，7m，9m。將他們進(jìn)行組合，得到20組不同的支座設(shè)計(jì)參數(shù)。參考相關(guān)文獻(xiàn)，支座快速摩擦系數(shù)近似取相應(yīng)慢速摩擦系數(shù)的2倍（下文摩擦系數(shù)未特殊說明均指慢速摩擦系數(shù)）。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)橫斷面圖

圖4 計(jì)算模型示意圖

根據(jù)該工程橋梁安評報(bào)告，工程場地設(shè)計(jì)地震動加速度反應(yīng)譜取為：

其中，Amax為設(shè)計(jì)地震動峰值加速度；β(T)為設(shè)計(jì)地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜。且有：

表1為地表水平地震動參數(shù)計(jì)算值（5%阻尼比）一覽表。

表1 地表水平向地震動參數(shù)計(jì)算值（5%阻尼比）一覽表

本文選用安評報(bào)告提供的50 a2%的水平和豎向天然地震波進(jìn)行分析（見圖5～圖7）。

圖5 水平向地震動圖示

圖6 豎向地震動圖示

圖7 反應(yīng)譜比較（5%阻尼比）曲線圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

橋梁結(jié)構(gòu)減隔震效果的評判指標(biāo)主要有墩梁相對位移及下部結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力等。使用減隔震裝置后，如果能在地震作用下控制下部結(jié)構(gòu)基本不損傷的同時(shí)，墩梁相對位移也能控制在可以接受的范圍之內(nèi)，那么其減隔震效果是最為理想的。

減隔震支座屬非線性連接單元，所以模型計(jì)算采用非線性時(shí)程分析方法進(jìn)行分析。

高烈度區(qū)，豎向地震作用通常很大。圖8給出了摩擦系數(shù)0.03，曲率半徑5 m的支座滯回曲線，由于該類支座的摩擦耗能能力與動軸力有關(guān)，當(dāng)支座軸力變化較大時(shí)，該類支座的耗能能力將會受到較大影響。從圖8可以看出，高烈度區(qū)摩擦擺式減隔震支座滯回耗能能力明顯受到豎向地震作用的影響。

墩梁相對位移亦受到豎向地震作用的影響。如圖9所示。

由圖9可知，考慮豎向地震，墩梁相對位移增加14%～23%。因此，高烈度區(qū)，豎向地震作用較大，采用摩擦擺式支座的減隔震橋梁應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

圖8 支座滯回曲線圖

圖9 墩梁相對位移曲線圖

通過計(jì)算各種參數(shù)組合下的模型，可以得到不同參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)減隔震效果。圖10為不同參數(shù)對立柱內(nèi)力的影響。圖11為不同參數(shù)對墩梁相對位移的影響。圖12為不同參數(shù)對梁梁相對位移（伸縮縫縫寬）的影響。

圖10 墩底彎矩響應(yīng)曲線圖

圖11 墩梁相對位移響應(yīng)曲線圖

圖12 梁梁相對位移響應(yīng)曲線圖

通過對計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出下述結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值隨支座參數(shù)的變化規(guī)律：

（1）對于相同的滑動面曲率半徑，墩底內(nèi)力隨著摩擦系數(shù)增大先減小后增大，存在一個(gè)合理的摩擦系數(shù)使得下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對較小。相同摩擦系數(shù)條件下，曲率半徑越大，墩底內(nèi)力越小。

（2）對于相同的滑動面曲率半徑，墩梁相對位移隨著摩擦系數(shù)增大迅速減小，摩擦系數(shù)超過0.03后位移減小幅度趨緩。相同摩擦系數(shù)條件下，曲率半徑越大，墩梁相對位移反而減小。

為了進(jìn)一步考察曲率半徑對墩梁相對位移的影響，圖13和圖14為摩擦系數(shù)0.01下曲率半徑分布為3 m和5 m的支座在不同地震波作用下的滯回曲線。由圖13和圖14可知，在其他條件相同的情況下，曲率半徑對墩梁相對位移的影響隨著地震波的不同顯示出相反的規(guī)律。該現(xiàn)象說明曲率半徑對墩梁位移的影響并不總是正相關(guān)，其受到地震波頻譜的影響。

由此可見摩擦系數(shù)對于控制墩梁位移起著關(guān)鍵作用，而受到地震波頻譜的影響，曲率半徑對墩梁位移的控制并不盡如人意。因此，支座曲率半徑不易取值過小，同時(shí)，曲率半徑過大，可能導(dǎo)致震后殘余位移較大。

圖13 采用天然波計(jì)算的支座滯回曲線圖（不考慮豎向地震）

圖14 采用安評反應(yīng)譜生成的人工波計(jì)算的支座滯回曲線圖（不考慮豎向地震）

（3）梁梁相對位移控制梁縫預(yù)留寬度，對于相同的滑動面曲率半徑，梁梁相對位移總體上隨著摩擦系數(shù)增大先減小后增大。相同摩擦系數(shù)條件下，曲率半徑越大，梁梁相對位移總體上越小。支座摩擦耗能增加結(jié)構(gòu)的阻尼，當(dāng)摩擦系數(shù)越大，對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)影響越明顯，導(dǎo)致梁梁相對位移變大。支座曲率半徑直接影響其恢復(fù)力剛度，根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，曲率半徑越大，結(jié)構(gòu)自身周期對隔震周期的影響越小，梁梁相對位移越小。當(dāng)曲率半徑增大到一定程度后，其影響大幅減弱。

3 結(jié)論

本文首先闡述了雙曲面球型減隔震支座的工作原理和力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上對某高烈度區(qū)采用摩擦擺式隔震支座城市高架橋梁標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行減隔震效果分析。結(jié)果表明：

（1）高烈度區(qū)，豎向地震作用一般較大，摩擦擺式支座的耗能能力將受到較大影響，建議該區(qū)域采用此種支座的減隔震橋梁，計(jì)算分析時(shí)考慮豎向地震作用。

（2）摩擦擺式支座屬于摩擦型耗能器，摩擦系數(shù)為其關(guān)鍵參數(shù)之一。存在一個(gè)合理的摩擦系數(shù)使得內(nèi)力和位移達(dá)到平衡。

（3）曲率半徑越大，支座恢復(fù)力剛度越小，隔震周期越大，墩底內(nèi)力越小。而墩梁相對位移受到地震波頻譜的影響與曲率半徑的關(guān)系并非總是正相關(guān)。曲率半徑越大，梁梁相對位移越小。但當(dāng)曲率半徑增大到一定程度后，其影響大幅減弱。

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