高震區(qū)梁式渡槽摩擦擺支座參數(shù)敏感性分析

何俊榮 尤嶺 李世平 朱璨

摘要：以滇中引水工程積福村輸水梁式渡槽工程為背景，選取最高墩和最矮墩為研究對象，采用非線性時(shí)程分析法，計(jì)算分析了縱向、橫向設(shè)計(jì)地震作用下，摩擦擺支座滑動面曲面半徑R和摩擦系數(shù)μ對支座水平位移、墩底彎矩的影響。結(jié)果表明：① 在水平地震作用下，在曲面半徑R一定時(shí)，支座水平位移隨著滑動摩擦系數(shù)μ的增大而減小;當(dāng)μ值在0.02～0.04之間變化時(shí)影響最明顯，μ值接近0.1時(shí)，支座位移趨于一致。② 在縱向地震作用下，墩底彎矩隨μ增大而增大。③ 在橫向地震作用下，當(dāng)R取2 m時(shí)，墩底橫向彎矩隨μ值增大而增大;當(dāng)R值在3～10 m之間變化時(shí)，墩底橫向彎矩則隨μ值的增大而出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，存在明顯的拐點(diǎn)。相關(guān)參數(shù)研究成果對摩擦擺支座設(shè)計(jì)制造具有重要參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：摩擦擺支座; 梁式渡槽; 滑動曲面半徑; 滑動面摩擦系數(shù); 敏感性分析; 滇中引水工程

中圖法分類號： TV672.3;TV312 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.022

0 引 言

減隔震支座通過自身的剪切變形來延長結(jié)構(gòu)周期和增加結(jié)構(gòu)阻尼，能夠較好地消耗地震能量，有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。因其技術(shù)較為成熟，已被廣泛運(yùn)用于橋梁減隔震技術(shù)中。

1985年，美國Zayas等人提出了摩擦擺隔震理念。同年，摩擦擺支座由美國地震保護(hù)體系（EPS）公司發(fā)明，并首先用于房屋建筑，而后應(yīng)用到橋梁、大型儲油罐等結(jié)構(gòu)上。1990年，Tsopelas等首次通過摩擦擺橋梁試驗(yàn)，驗(yàn)證了摩擦擺支座的隔震性能[1]。中國方面，李大望等對隔震結(jié)構(gòu)的性態(tài)和地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，建立了摩擦擺支座的非線性微分方程[2];楊林等完成了中國第一個(gè)運(yùn)用摩擦擺隔震裝置的模擬地震振動臺試驗(yàn)[3];劉衛(wèi)然等基于摩擦擺隔震剪切型結(jié)構(gòu)的振動微分方程，進(jìn)一步研究了該系統(tǒng)的振動形態(tài)，并分析了改變摩擦系數(shù)和滑道半徑對結(jié)構(gòu)隔震效果的影響[4];吳宜峰等以高烈度區(qū)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔?，?jì)算了橋梁在不同摩擦擺支座參數(shù)組合下的隔震效果，并研究了支座參數(shù)對隔震效果的影響[5];劉學(xué)強(qiáng)以大跨度連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο?，研究了摩擦擺支座的布置方式以及支座的力學(xué)參數(shù)取值對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響[6];王力等以長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，分析了地震動輸入模式、地震動?qiáng)度、摩擦擺支座參數(shù)對該橋內(nèi)力、位移和能量響應(yīng)的影響[7]。

輸水渡槽與橋梁在結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)上基本一致，主要區(qū)別在于運(yùn)營期通行的荷載有所不同。渡槽上部結(jié)構(gòu)具有頭重、腳輕的特點(diǎn)，采用摩擦擺支座，利用上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生摩擦力進(jìn)行耗能，可以達(dá)到較好的減隔震效果[8]。

目前，中國對摩擦擺支座的減隔震性能的研究基本集中在橋梁工程領(lǐng)域，而在渡槽上的運(yùn)用鮮有研究。有鑒于此，本文以滇中引水工程大理Ⅰ段積福村梁式輸水渡槽工程為背景，分析研究摩擦擺支座在不同設(shè)計(jì)參數(shù)組合下的減震耗能效果，以便為高震區(qū)梁式渡槽工程中摩擦擺支座的設(shè)計(jì)選型提供一定的參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

滇中引水工程大理Ⅰ段積福村梁式輸水渡槽設(shè)計(jì)流量為135 m3/s，屬于1級建筑物，雙線為U型布置。槽身段設(shè)計(jì)為17×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土U型簡支結(jié)構(gòu)，如圖1所示。渡槽總長為510.0 m，槽身高度為7.0 m，槽寬為8.3 m。渡槽總體布置如圖1所示。

渡槽的下部結(jié)構(gòu)采用圓端形空心墩配鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，如圖2所示。槽墩帽梁高為4.5 m，平面尺寸為10.8 m×6.1 m;墩身縱向壁厚為0.8 m，橫向壁厚為1.0 m，圓端半徑為1.6 m，墩身高度為9.0～30.0 m;承臺平面尺寸為21.7 m×11.7 m，厚為3.5 m;基礎(chǔ)采用16根直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁，呈6排梅花形布置。

1.2 場地地震動參數(shù)

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。根據(jù)工程區(qū)場地地震安全性評價(jià)報(bào)告，50 a超越概率10%的水平向加速度代表值為2.99 m/s2，特征周期為0.45 s，阻尼比取0.05。安全性評價(jià)報(bào)告中提供的3條地震時(shí)程波如圖3所示，時(shí)程分析結(jié)果取其中最大值。

2 摩擦擺支座工作原理

2.1 隔震原理

摩擦擺隔震支座是一種利用鐘擺原理實(shí)現(xiàn)減隔震功能的支座，具有承受豎向荷載和水平位移的能力。支座通過滑動界面的摩擦消耗地震能量來實(shí)現(xiàn)減震功能，通過球面擺動延長結(jié)構(gòu)運(yùn)動周期來實(shí)現(xiàn)隔震功能[9]，其運(yùn)動形式如圖4所示。當(dāng)滑動界面受到的地震作用超過靜摩擦力時(shí)，滑塊開始在圓弧面內(nèi)滑動，使上部結(jié)構(gòu)輕微抬高，發(fā)生單擺運(yùn)動，同時(shí)支座在重力的作用下將朝中心位置自動回復(fù)。

2.2 回復(fù)力模型

3 有限元分析模型

本文研究的渡槽為單跨30 m的簡支結(jié)構(gòu)，選取能反映整體結(jié)構(gòu)主要形態(tài)及特點(diǎn)的第4跨至第13跨，借助于MIDAS/CIVIL軟件，建立了三維空間有限元分析模型，如圖7所示。

考慮到樁土的作用，對樁基礎(chǔ)采用了基于m法的土體等效彈簧開展模擬。模型兩端相鄰渡槽的作用，是以集中質(zhì)量的形式施加于槽墩蓋梁支座中心處，包括一跨槽身及水體重量的一半。按照水工抗震規(guī)范[12]，將槽內(nèi)水體在地震作用下的模擬分為沖擊動水壓力和對流動水壓力2個(gè)部分予以加載。渡槽支座均布置摩擦擺支座，采用MIDAS軟件自帶的“摩擦擺隔震裝置”單元開展模擬。

4 摩擦擺支座參數(shù)分析

4.1 支座參數(shù)取值

第4跨至第13跨渡槽結(jié)構(gòu)中，最高墩為6號墩，墩高為30 m;最矮墩為9號墩，墩高為9 m。本文以6號墩和9號墩為研究對象，系統(tǒng)研究摩擦擺支座2個(gè)主控參數(shù)，即滑動曲面半徑R和滑動面摩擦系數(shù)μ的不同取值對地震響應(yīng)的影響規(guī)律。參照摩擦擺支座常用的取值范圍，本文分別取R=2，3，5，8，10 m，取μ=0.02，0.04，0.06，0.08和0.10進(jìn)行參數(shù)分析。

4.2 縱向地震響應(yīng)分析

在縱向地震作用下，支座曲面半徑R、摩擦系數(shù)μ對6號高墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖8～9所示。

對9號矮墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖10～11所示。

（1） 不論是高墩還是矮墩，當(dāng)曲面半徑R一定時(shí)，支座位移隨著滑動摩擦系數(shù)μ的增大而減小，當(dāng)μ值在0.02～0.04之間變化時(shí)，對支座位移的影響最為明顯，在0.06～0.08之間次之，當(dāng)μ值接近0.10時(shí)，不同R值下的支座位移趨于一致?；瑒幽Σ料禂?shù)μ一定時(shí)，曲面半徑R越大，支座位移越大。

（2） 曲面半徑R一定時(shí)，高墩和矮墩的墩底縱向彎矩均隨著滑動摩擦系數(shù)μ的增大而增大。

4.3 橫向地震響應(yīng)分析

在橫向地震作用下，支座曲面半徑R、摩擦系數(shù)μ對6號高墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖12～13所示。對9號矮墩支座位移及墩底彎矩的影響如圖14～15所示。

由圖12～15可以看出：

（1） 在橫向地震作用下，R與μ對支座位移的影響規(guī)律與縱向地震下的影響規(guī)律基本一致。無論高墩或矮墩，在曲面半徑R一定時(shí)，滑動摩擦系數(shù)μ越大，支座位移越小，當(dāng)μ值在0.02～0.04之間變化時(shí)，對支座位移的影響最為明顯，μ值接近0.10時(shí)，不同R值下的支座位移趨于一致。

（2） 在橫向地震作用時(shí)，當(dāng)R取2 m時(shí)，墩底橫向彎矩隨著μ值的增大逐漸增大;當(dāng)R值在3～10 m之間變化時(shí)，墩底橫向彎矩則隨著μ值的增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，墩底最小彎矩出現(xiàn)在μ值取0.06～0.08之間。

5 結(jié) 論

（1） 總體而言，在水平地震作用下，無論是高墩還是矮墩，支座水平位移在曲面半徑R一定時(shí)，隨著滑動摩擦系數(shù)μ增大而減小。當(dāng)μ值在0.02～0.04之間變化時(shí)，對支座位移的影響最為明顯，μ值接近0.10時(shí)，不同R值下的支座位移趨于一致。

（2） 在縱向地震作用下，曲面半徑R一定時(shí)，高墩和矮墩的墩底彎矩均隨著滑動摩擦系數(shù)μ的增大而增大。

（3） 在橫向地震作用時(shí)，R與μ對墩底彎矩的影響較為復(fù)雜。當(dāng)R取2 m時(shí)，墩底橫向彎矩隨著μ值的增大而增大;當(dāng)R值在3～10 m之間變化時(shí)，墩底橫向彎矩則隨著μ值的增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，存在明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在μ為0.06～0.08之間。

（4） 輸水渡槽中的水體在上部結(jié)構(gòu)總重量中的占比大，抗震計(jì)算中，順槽向一般不計(jì)水體附加質(zhì)量，橫槽向則需考慮全部水體的動水作用，故橫向地震作用下的摩擦擺支座位移要遠(yuǎn)大于縱向地震。在減隔震設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意結(jié)合選取的支座控制參數(shù)，為摩擦擺支座發(fā)揮減震耗能作用預(yù)留足夠的位移工作空間。

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（編輯：趙秋云）