摩擦擺減隔震支座在市政橋梁中的應(yīng)用

于增明，鄭明萬

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

摩擦擺減隔震支座在市政橋梁中的應(yīng)用

于增明，鄭明萬

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

簡要介紹了目前常用的幾種減隔震支座，并闡述了摩擦擺減隔震支座的優(yōu)勢特點(diǎn)及工作原理。通過對某座市政橋梁的的抗震分析計算，對摩擦擺減隔震支座的減隔震性能進(jìn)行探討分析。

摩擦擺；市政橋梁；減隔震；抗震；支座

0 引言

地震嚴(yán)重威脅著人類的生存，如何使結(jié)構(gòu)能夠抵御地震是人類面臨的重大問題。橋梁支座作為橋梁結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部件，有將橋面荷載傳遞到墩臺的作用，并且要適應(yīng)活載、溫度、混凝土收縮等外部作用的變化。減隔震支座不僅僅是作為橋梁結(jié)構(gòu)受力的傳力部件，同時還需要具有一定的耗能作用，以減輕地震對橋梁下部結(jié)構(gòu)的沖擊，具有良好的自恢復(fù)能力，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性及先進(jìn)性，目前已被廣泛的應(yīng)用在橋梁設(shè)計中[1-3]。

1 目前常用的減隔震支座

1.1 摩擦擺減隔震支座

摩擦擺減隔震支座是利用鐘擺原理實(shí)現(xiàn)減隔震功能的支座，通過滑動界面摩擦消耗地震能量實(shí)現(xiàn)減震功能，通過球面擺動延長梁體運(yùn)動周期實(shí)現(xiàn)隔震功能。摩擦擺隔震裝置在1985年由美國的Zayas等人提出，同年摩擦擺支座（FPB）由美國EPS公司發(fā)明，見圖1。

圖1 摩擦擺減隔震支座構(gòu)造圖

摩擦擺減隔震支座的特點(diǎn)如下：（1）在橋梁正常運(yùn)行時，摩擦擺減隔震支座具有與普通支座相同的功能；（2）在地震來臨時，摩擦擺減隔震支座剪力螺栓剪斷，通過圓弧面之間的相對滑動，利用鐘擺原理，重力做功，實(shí)現(xiàn)將地震動能轉(zhuǎn)化為勢能，實(shí)現(xiàn)了阻尼的功效；（3）摩擦擺減隔震支座可有效延長結(jié)構(gòu)自振周期，避免橋梁下部墩柱在地震作用下的塑性破壞；（4）摩擦擺減隔震支座具有震后在上部結(jié)構(gòu)自重作用下可實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)；（5）地震中摩擦擺支座的恢復(fù)力模型可簡化成雙線性滯回模型。

1.2 HDR高阻尼隔震橡膠支座

HDR高阻尼橡膠支座是采用高阻尼橡膠材料與鋼板等結(jié)構(gòu)件硫化而成的一種橡膠支座，具備良好的阻尼性能。高阻尼橡膠支座既可以保持疊層橡膠支座所具有的良好力學(xué)特性，同時具有較高的阻尼值，在地震中可以有效地吸收地震能量、減輕地震響應(yīng)。

1.3 鉛芯隔震橡膠支座

鉛芯隔震橡膠支座是在板式橡膠支座的基礎(chǔ)上，中心放入鉛棒，以改善橡膠支座的阻尼性能的一種支座。鉛芯支座承受結(jié)構(gòu)物的重力及水平力，使鉛芯產(chǎn)生滯后阻尼的塑性變形，吸收能量，并通過橡膠提供水平恢復(fù)力。

1.4 常用減隔震支座的優(yōu)缺點(diǎn)分析

常用減隔震支座對比見表1。

從表1可以看出，摩擦擺減隔震支座相對于HDR高阻尼橡膠支座及鉛芯隔震橡膠支座具有耐久性更好，位移能力更大且承載力更高的特點(diǎn)，同時能夠使地震力得到有效降低，減少工程造價，是一種具有良好力學(xué)性能的隔震裝置。

表1 常用減隔震支座對比表

2 摩擦擺減隔震支座在市政橋梁中的應(yīng)用

2.1 摩擦擺減隔震支座的工作原理

摩擦擺減隔震支座受到的地震作用較小時，依靠上部自重與橋梁之間的靜摩擦力，來充分保障橋梁的穩(wěn)定性，當(dāng)受到的地震力較大時，支座按照一定的周期發(fā)生滑動，是橋梁上部結(jié)構(gòu)受到的地震作用力不再向下部結(jié)構(gòu)傳遞，因此，摩擦擺減隔震支座的周期其中，g表示重力加速度；R為滑動面的半徑。

摩擦擺減隔震支座的隔震消能原理是通過設(shè)計滑動面使橋梁結(jié)構(gòu)的震動周期得到延長，從而使橋梁結(jié)構(gòu)受到地震作用影響而產(chǎn)生的放大效應(yīng)得到大大減少，通過支座滑動面與滑塊之間產(chǎn)生的摩擦，實(shí)現(xiàn)隔震消能的目的，而剛度和周期控制可以通過選擇適合的滑動表面曲線半徑來實(shí)現(xiàn)。同時，摩擦擺隔震的圓弧滑動面能夠使摩擦擺減隔震支座的位移得到有效控制，從而能夠在收到地震作用后恢復(fù)原位。以摩擦擺減隔震支座的減隔震作用原理為依據(jù)，可以按照荷載-位移滯回曲線模型來模擬其力學(xué)性能，見圖2。

圖2 摩擦擺減隔震支座荷載-位移滯回曲線

在圖 2 中，Ki表示初始剛度，Ki= μW/Dy，其中μ為動摩擦系數(shù)；一般取0.05，W為豎向荷載，Dy為屈服位移；Kfps為屈服后剛度，Kfps=W/R，R為曲率半徑；Keff為支座的等效剛度，Keff=W/R+μW/D，D為極限位移。

2.2 摩擦擺減隔震支座在一座市政橋梁中的應(yīng)用及分析

烏魯木齊市紅光山現(xiàn)狀路上跨喀什路橋梁，該橋位于直線上，與喀什路斜交，斜交角度為77°，斜橋正做，橋梁全寬12.5 m，全長40 m+60 m+40 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁，橫斷面采用單箱雙室，梁高采用二次拋物線變化曲線，橋墩支點(diǎn)處梁高3.6 m，跨中及橋臺支點(diǎn)處梁高2.0 m。采用矩形雙柱式橋墩，橋墩柱截面尺寸為 2 m×2 m，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，見圖3。

圖3 喀什路東延跨線橋立面圖（單位：cm）

該橋相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）汽車荷載：城-B級,人群作用集度為 4.0 kN/m2；（2）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a；（3）設(shè)計安全等級：一級；（4）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；（5）環(huán)境類別：Ⅱ類；（6）地震基本烈度為 8度，地震動加速度峰值：0.2 g，特征周期值為0.4 s，抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)計方法為A類。

橋梁采用摩擦擺式減隔震支座，橋墩采用的支座類型有JZQZ-15000/1500-SX-Z50/H40-e320-4.2s，JZQZ-15000/1500-DX-Z50-e320-4.2s，JZQZ15000/1500-GD-e320-4.2s；橋臺支座 JZQZ-4000/400-SX-Z50/H40-e320-4.2s，ZQZ-4000/400-DX-H40-e320-4.2s。

該橋橋型為連續(xù)梁橋，采用MIDAS建模時主梁采用變截面組的形式來模擬變截面主梁；橋面鋪裝等二期恒載以集中力的形式施加于主梁各結(jié)點(diǎn)，在分析時將這些荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，根據(jù)計算，橋梁自振周期及頻率見表2。

表2 橋梁自振周期及頻率表

本次計算分析時輸入兩條規(guī)范反應(yīng)譜人工合成地震動（WAVE-1、WAVE-2）與一條強(qiáng)震記錄（WAVE-3），根據(jù)計算結(jié)果，采用摩擦擺減隔震支座后，橋墩處于彈性狀態(tài)，在E2地震作用下，在最不利的地震波作用下，墩柱底部強(qiáng)度驗算：

E2:1號墩墩底 rNd=20 403 kN

2號墩墩底 rNd=20 387 kN

若采用普通球型鋼支座時，將墩底彎矩及剪力與采用摩擦擺減隔震支座時的結(jié)果進(jìn)行對比，利用隔震率來表示摩擦擺支座的隔震效果，隔震率=（普通支座-摩擦擺減隔震支座）/普通支座×100%。

順橋向的摩擦擺支座隔震效果見表3，橫橋向的摩擦擺支座隔震效果見表4。

表3 1號墩順橋向隔震效果

表4 1號墩橫橋向隔震效果

由表3、表4可以看出，隔震前后3條輸入地震動作用下的地震反應(yīng)離散性較大。摩擦擺支座隔震方案能有效地減小墩底彎矩及墩底剪力，隔震效果顯著。墩底彎矩順橋向的隔震率在50%～76%之間，墩底剪力的隔震率在51%～71%之間。橫橋向墩底彎矩的隔震率在為70%，墩底剪力的隔震率為67%。

4 結(jié)語

隨著市政橋梁及橋梁減隔震理論的發(fā)展，對高震區(qū)市政橋梁抗震性能的要求越來越高，摩擦板減隔震支座在橋梁正常運(yùn)行時，具有與普通支座相同的功能，同時克服了純摩擦隔震系統(tǒng)不能復(fù)位的缺點(diǎn)，使得滑塊能夠在特有的圓弧滑動面上進(jìn)行類擺式滑動，對地震激勵頻率范圍具有較高的穩(wěn)定性和較低的敏感性，自我限位、復(fù)位能力，還有優(yōu)良的隔震消能效果；其隔震周期只與隔震系統(tǒng)的圓弧半徑有關(guān)，與上部結(jié)構(gòu)的自身、運(yùn)動的范圍無關(guān)；并且系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性相當(dāng)好。

在高震區(qū)市政橋梁中采用摩擦擺減隔震支座，有效延長了結(jié)構(gòu)自振周期，采用減隔震設(shè)計，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸及配筋，保證下部結(jié)構(gòu)在E1、E2地震作用下均處于彈性范圍，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全、可靠，同時有效的降低了工程造價，且橋梁目前運(yùn)營狀況良好。

[1]郭俊偉.摩擦擺減隔震支座在高烈度區(qū)高架橋的減震效果分析[J].城市道橋與防洪,2013(4):187-190.

[2]蔡正.兩種減隔震支座性能對比研究[J].都市快軌交通,2016,29(4):98-101.

[3]馬穎.減震橋梁與非減震橋梁的對比分析[D].陜西西安:長安大學(xué),2011.

U443.36

B

1009-7716（2017）10-0075-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.021

2017-05-28

于增明（1983-），男，山東濰坊人，高級工程師，從事道橋工程設(shè)計工作。