摩擦擺支座理論研究

摘 要：摩擦擺支座是一款摩擦型耗能器，具有優(yōu)異的性能。本文以永寧黃河公路大橋支座施工為例，通過有限元軟件對(duì)球形支座、柱面支座進(jìn)行抗震模擬分析，為支座的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞：摩擦擺；支座；技術(shù)理論文章編號(hào)：2095-4085（2024）04-0236-03

1 基本技術(shù)理論

1.1 減隔震技術(shù)

減隔震原理是結(jié)構(gòu)周期的延長(zhǎng)和地震響應(yīng)的減小采用減隔震裝置的柔性到達(dá)，利用減震減能裝置對(duì)墩梁因周期延長(zhǎng)而產(chǎn)生的相對(duì)位移進(jìn)行控制；還應(yīng)在正常使用荷載的情況下，保證有足夠的剛性，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性［1］。

1.2 普通支座力學(xué)模型

一般球狀支座或盆狀支座，又分為固定支座、單向支座和雙向支座等三種支座。規(guī)范建議可供活動(dòng)支座使用的復(fù)原力模型的雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬。支座臨界滑動(dòng)摩擦力，可通過滑動(dòng)摩擦系數(shù)（一般取0.02）和支座豎向力獲得；xy是支座屈服位移（一般取0.002～0.005m）［2-4］。而支座的固定方向，通常認(rèn)為它的剛度很大，可輸入一個(gè)較大的值模擬如108kN/m。

1.3 摩擦擺支座的力學(xué)模型

在橋梁正常使用狀態(tài)下，摩擦擺球型支座具有一般球形支座的性能，在地震作用下具有減震和隔震功能，在高烈度區(qū)可在橋梁上作減震設(shè)計(jì)。摩擦擺球型支座結(jié)構(gòu)形式多樣，最早的有國(guó)外研發(fā)的鐘擺式，國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段采用較多的是雙曲面形式?？蓪⒛Σ翑[球型支座簡(jiǎn)化為雙折線復(fù)原力力學(xué)模型［5］。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

寧夏永寧黃河公路大橋是寧夏有史以來首座跨越黃河的大型地標(biāo)式景點(diǎn)建筑。項(xiàng)目建成后將進(jìn)一步加快寧夏地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐。

大橋全長(zhǎng)3 743.37m，包括東、西引橋700片預(yù)制T梁；跨東、西濱河大道191m連續(xù)箱梁；641m副橋連續(xù)箱梁；110m+260m+110m鉆石型雙塔雙索面斜拉橋。按雙向6車道一級(jí)公路建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，行車道寬度2×16.5m。建設(shè)工期36個(gè)月。

河灘地段引橋上部結(jié)構(gòu)主要采用50m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁；副橋采用八跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁；橋跨布置為（50.5+6×90+50.5）m分幅設(shè)置。

永寧黃河大橋副橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，其結(jié)構(gòu)為（50.47+6×90+50.5）m， 橋面全寬33.5m。雙柱式空心墩用于副橋和引橋的聯(lián)接墩，墩頂橫橋向均設(shè)置GZQZ系列隔震球型支座，每墩頂2個(gè)。聯(lián)接墩支座均有6m的橫向間隔。中墩采用花瓶式空心墩，墩頂橫橋向設(shè)置FPQZ系列摩擦擺球型支座，每墩頂2個(gè)，橫向間距6m?，F(xiàn)取單幅橋作為分析結(jié)構(gòu)。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，單幅每個(gè)墩上采用兩個(gè)支座，現(xiàn)對(duì)兩種減隔震方案進(jìn)行比較。

方案1：過渡墩采用GZQZ4.0摩擦擺球型支座，摩擦擺球型支座和柱面支座用于主墩支座［6］。柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300其性能為一個(gè)方向可以自由滑動(dòng)，而另一個(gè)方向則是在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)可以發(fā)揮能量消耗的曲面。其中33#、34#、38#、39#墩外側(cè)支座采用的是柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300，其余主墩都采用的是摩擦擺球型支座。

方案2：過渡墩同樣采用GZQZ4.0摩擦擺球型支座，主墩支座布置是將原來的柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300替換為摩擦擺球型支座FPQZ-30000-SX-e300，其余支座不變。

2.2 有限元建模分析

利用有限元通用分析軟件MidasCivil構(gòu)建結(jié)構(gòu)的三維模型。梁?jiǎn)卧M主梁、橋墩和基礎(chǔ)，采用等代土制彈簧模擬樁土的共同作用，用M法計(jì)算等代土制彈簧的剛度。支座的模擬采用上文所述的模擬方式。

從兩個(gè)方案的兩種工況進(jìn)行分析對(duì)比，一個(gè)是小震情況下E1地震作用，另一個(gè)是大震情況下E2地震作用。對(duì)于摩擦擺球型支座，在固定方向是設(shè)有限位擋塊的，在地震作用下當(dāng)支座水平剪切力到達(dá)一定大小時(shí)限位擋塊熔斷，釋放出二次位移。在此假定限位塊在E1地震時(shí)不發(fā)生熔斷，限位塊在E2地震時(shí)發(fā)生熔斷，支座自由擺動(dòng)。

采用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜通過軟件模擬得到E1、E2地震波，兩個(gè)工況分別模擬3條地震波，結(jié)果取3條波的最大值。

3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

3.1 E1作用響應(yīng)（限位不熔斷）

在E1地震作用下方案1和方案2各支座的固定方向限位擋塊未斷開，結(jié)構(gòu)體系類似于抗震結(jié)構(gòu)體系。以下是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的地震響應(yīng)對(duì)比（見圖1～圖3）。

從圖1～圖3所示的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)可以得出：在E1地震作用下，支承體系還處于抗震結(jié)構(gòu)體系，36#墩為本聯(lián)的固定墩，剛度最大，所以順橋向地震作用時(shí)其響應(yīng)最大；而橫橋向地震作用時(shí)，各墩均有一個(gè)縱向支座（橫橋向是限位的），所以橫向地震作用是各墩受力相差不大，出現(xiàn)差異的原因，主要是由于每個(gè)墩的高度不同，墩的截面也不一樣。在此可以認(rèn)為，兩種方案的地震反應(yīng)結(jié)果在E1地震的作用下基本是相同的。

3.2 E2作用響應(yīng)（限位熔斷）

在E2地震作用下假設(shè)方案1和方案2各支座的固定方向限位擋塊全部同時(shí)斷開，釋放出支座的二次位移，結(jié)構(gòu)體系變?yōu)闇p隔震體系。以下是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的地震響應(yīng)對(duì)比（見圖4～圖6）。

從圖6～圖8所示的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)可以得出：在E2地震作用下， 假設(shè)支座限位裝置熔斷， 釋放出二次位移，原來為支座固定的方向變成了可自由擺動(dòng)的，支座剛度相對(duì)來說大大減小，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)的隔震效果很好，主要體現(xiàn)在順橋向的固定墩和橫橋向墩的響應(yīng)減小了。E2地震作用下兩方案的區(qū)別在于33#、34#、38#、39#墩外側(cè)采用了不同的支座，一個(gè)是柱面支座，一個(gè)是摩擦擺球型支座。由于體系是基本一樣的，所以周期振動(dòng)基本上兩個(gè)方案是一致的，結(jié)構(gòu)響應(yīng)也相差很小。

4 結(jié)論

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋，在采用動(dòng)力時(shí)程分析方法分析了對(duì)采用不同柱面支座和摩擦擺球型支座的同個(gè)結(jié)構(gòu)后，得出以下結(jié)論：從支座恢復(fù)力力學(xué)模型上對(duì)比，柱面支座和摩擦擺球型支座有所區(qū)別。柱面支座單向支座一個(gè)方向是曲面，靠摩擦及動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換耗散能量；而另一個(gè)方向是平面滑動(dòng)，只能是靠摩擦耗能。摩擦擺球型支座是水平兩個(gè)方向都是靠摩擦及動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換耗散能量。但就軟件模擬支座力學(xué)模型上來說，兩者的各水平剛度相差不大。所以計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)特征值差別不大，地震響應(yīng)結(jié)果也非常接近。

參考文獻(xiàn)：

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