摩擦擺支座參數(shù)變化對簡支橋梁隔震效果研究江夏

吳建國

（福建江夏學(xué)院，福建 福州 350108）

摩擦擺支座參數(shù)變化對簡支橋梁隔震效果研究江夏

吳建國

（福建江夏學(xué)院，福建 福州 350108）

以某簡支梁橋為實際工程背景，以摩擦擺支座的滑動曲面半徑及滑動摩擦系數(shù)為主要參數(shù)。系統(tǒng)研究了摩擦擺隔震支座的兩個主要參數(shù)的變化對隔震簡支橋梁的隔震效果的影響，摩擦系數(shù)越大，高速鐵路橋梁的隔震效果越好，摩擦擺滑動曲面半徑的大小對高速鐵路橋梁的隔震效果影響不大。

簡支橋梁；隔震；摩擦擺支座；參數(shù)變化

我國橋梁正處于高速發(fā)展時期，而其中高架橋梁占據(jù)了相當(dāng)大的比例，在遭遇地震災(zāi)害時，高架橋梁結(jié)構(gòu)安全性等問題亟待解決[1,2]。因此對處于地震區(qū)的橋梁抗震性能的研究具有重要的意義。橋梁隔震作為一種新型抗震技術(shù)，在近十幾年的研究中不斷深入[3-5]。摩擦擺最早是由Zayas提出的一種隔震系統(tǒng)，通過兩個曲面的摩擦滑動來實現(xiàn)支座的正常功能，利用鐘擺機理延長結(jié)構(gòu)的自振周期，同時通過擺動過程中的摩擦耗能以及勢能做功，減少地震力的作用。摩擦擺支座是一種性能更加優(yōu)良的隔震裝置，具有承載能力高、位移能力大、耐久性強、可自動復(fù)位等優(yōu)點，并可以通過改變滑道半徑調(diào)整隔震周期。我國高速鐵路高架橋梁具有自己的特點，因此對摩擦擺支座高架橋梁系統(tǒng)進行理論分析及性能研究很有必要。對摩擦擺隔震支座影響最大的兩個參數(shù):一是摩擦擺動曲率半徑，二是摩擦擺隔震支座的摩擦系數(shù)。本文主要通過摩擦擺隔震支座的這兩個參數(shù)變化對簡支橋隔震效果進行研究。

1 摩擦擺支座的力學(xué)模型及基本原理

摩擦擺支座通過摩擦耗能的方式將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能，并通過單擺式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了位移的自我恢復(fù)，既提高了震時的隔震性能，又避免了震后調(diào)整工序。摩擦擺支座的力與位移關(guān)系如圖1所示。

圖1 摩擦擺支座的受力圖示

摩擦擺支座通過結(jié)構(gòu)自重沿滑動曲面的切線方向的分力提供恢復(fù)力，支座的側(cè)向力F為恢復(fù)力與摩擦力之和，可表示為：

式中W是結(jié)構(gòu)豎向載荷；D是支座在側(cè)向的位移；R是曲率半徑；μ是摩擦系數(shù)。于是支座屈后剛度可以通過下式得到：

假定第一自振周期為T1，使用該支座代替原支座后，減隔震結(jié)構(gòu)的第一自振周期為：

T值主要與球心距和原結(jié)構(gòu)周期有關(guān)。

2 計算模型及分析方法

某簡支橋梁的橋跨6m×32m。本橋地震動峰值加速度為0.3g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，設(shè)防烈度為八度地震區(qū)，主梁采用預(yù)應(yīng)力單箱截面，采用單墩柱，墩高均為23.5m，不考慮樁土效應(yīng)。本文采用有限元程序SAP2000建立全橋有限元模型進行空間地震反應(yīng)分析，模型中墩承臺及主梁各構(gòu)件均采用空間梁單元模擬。地基及基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的作用根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》CJJ166-2011的規(guī)定簡化成平動及轉(zhuǎn)動彈簧施加于承臺底；摩擦擺支座采用專門的非線性連接單元模擬；主梁與墩采用摩擦擺隔震支座相連接。摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)是有限元模型中的關(guān)鍵構(gòu)，其模型正確與否關(guān)系到計算結(jié)果的準確性。而SAP2000軟件中有專門的摩擦擺隔震單元，可選用LINK單元中的Friction Isoltion單元來模擬摩擦擺支座，摩擦擺支座的初始剛度、等效線性剛度、摩擦因數(shù)等參數(shù)可按照所選用的摩擦擺尺寸進行計算輸入。如圖2所示為簡支橋梁在SAP2000有限元軟件中的有限元分析模型。

圖2 簡支橋梁有限元分析模型

地震波選取。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010與《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50111-2006選取輸入的地震波，分別選擇兩條與設(shè)計反應(yīng)譜相容的地震波（EICentro波、天津波），并通過設(shè)計反應(yīng)譜擬合一條人工波，對隔震橋梁進行非線性時程分析。

3 摩擦擺隔震支座曲率半徑對簡支橋隔震性能影響規(guī)律研究

摩擦擺隔震支座豎向設(shè)計承載力為5500kN；摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)：3%，6%，9%；設(shè)計地震動峰值加速度下的支座設(shè)計極限位移為；摩擦擺隔震支座的曲率半徑：1m，1.5m，2m。

3.1 摩擦擺隔震支座簡支橋隔震性能分析

3條地震波依據(jù)8度抗震設(shè)防標準，調(diào)整它們的加速度峰值為0.4m/s2，調(diào)整擺支座摩擦系數(shù)為6%，調(diào)整其曲率半徑設(shè)計為2m。根據(jù)抗震與隔震情況進行動力時程分析，如圖3、圖4、圖5所示，為隔震前后在ELCentro波、天津波、人工波作用下高速鐵路橋梁地震響應(yīng)結(jié)果比較。

圖3 ELCentro波下主梁加速度響應(yīng)

圖4 天津波下主梁加速度響應(yīng)

圖5 人工波下主梁加速度響應(yīng)

從以上分析可知，摩擦擺隔震支座對于橋梁的隔震具有顯著的效果，通過三種地震波的分析可知，摩擦擺支座隔震率基本上在50%以上。特別是對于天津波作用下隔震簡支橋梁的加速度峰值是2m/ s2，非隔震簡支橋梁的加速度峰值高達5.5m/s2。

3.2 摩擦擺隔震支座曲率變化對簡支橋的隔震性能的影響

摩擦擺隔震支座豎向設(shè)計承載力為5500KN，摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)6%，摩擦擺隔震支座的曲率半徑分別為：1m，1.5m，2m。將3條地震波按照8度抗震設(shè)防標準調(diào)整加速度峰值為。分別對抗震與隔震高速鐵路橋梁進行動力時程分析，如圖6、圖7、圖8所示，為隔震前后高速鐵路橋梁地震響應(yīng)結(jié)果比較。

圖6 主梁加速度峰值

圖7 墩底剪力峰值

圖8 主梁位移峰值

從以上分析可知，摩擦擺隔震支座的曲率半徑對于橋梁的隔震的效果沒有多大的影響。

4 摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)對簡支橋隔震性能的影響規(guī)律

將3條地震波按照8度抗震設(shè)防標準調(diào)整加速度峰值為0.4m/s2，摩擦擺支座的摩擦系數(shù)分別為3%，6%，9%，曲率半徑選為2m。分別對抗震與隔震高速鐵路橋梁進行動力時程分析，如圖9、圖10、圖11所示，為隔震前后高速鐵路橋梁地震響應(yīng)結(jié)果比較。

圖9 主梁加速度峰值

圖10 墩底剪力峰值

圖11 主梁位移峰值

從主梁加速度圖可知，摩擦擺摩擦系數(shù)的越大，基于摩擦擺簡支橋梁的隔震效果越好。墩底剪力圖中，總體上可以看出摩擦擺摩擦系數(shù)的高低影響簡支橋的隔震效果，且系數(shù)越高墩底剪力越小隔震效果越差。上圖中的主梁位移圖中摩擦擺摩擦系數(shù)的大小對簡支橋梁主梁的位移影響不大。

5 結(jié)論

1）使用摩擦擺隔震支座的高速鐵路橋梁對高烈度的地震能夠起到很好的隔震效果。

2）摩擦擺隔震支座的曲率半徑的大小對摩擦擺隔震支座高速鐵路橋梁隔震率大小的影響不大。

3）摩擦擺隔震支座的摩擦系數(shù)對高速鐵路橋梁的隔震效果影響很大，且摩擦系數(shù)的越大，隔震效果越好。

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