摩擦擺減隔震支座在高烈度區高架橋的減震效果分析

郭俊偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）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。由于其具有構造簡單、良好的自回復、抗平扭能力，同時施工簡單，耐久性好等優點，因而受到了國外學者廣泛深入研究，近年來已被成功應用于建筑、橋梁、化工、電力等重大工程項目的抗震減災中。國內學者正逐步將其引入國內橋梁的抗震設計中。

我國是個地震多發的國家，在8度及以上的高烈度區域建設橋梁，地震作用成為控制設計的關鍵因素。將摩擦擺支座引入到高烈度區的橋梁設計不失為一種可靠的解決方案。然而該類支座在強震下滯回耗能能力及模型參數的選取對減震效果的影響成為設計中亟待解決的問題。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某高架橋梁的支座參數分析，研究討論支座參數對減隔震效果的影響及選取支座參數的原則和方法。

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：中間層滑塊由高強抗壓材料構成，滑塊的圓弧形滑動面在下部結構發生地震位移的時候，由于上部結構的重力及底板滑動面的圓弧形設計，總能產生向心的回復力，同時在整個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動面與上蓋板的關節接觸方式，上部結構總能保持水平狀態。

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營中出現有害振動，需要設置抗震栓。從而保證支座在正常運營中實現限位功能，在地震作用下，抗震栓剪斷，支座滑動實現減隔震功能。

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

本文以某地區地震基本烈度為8度，水平向設計地震動加速度峰值為0.3 g的某高架橋為工程背景，取橋寬為25.5 m，跨徑組合為3×30 m的預應力混凝土連續箱梁為研究對象，利用SAP2000軟件進行分析。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。為了準確分析結構的地震響應，模型考慮邊界聯及樁土作用的影響。計算模型如圖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。將他們進行組合，得到20組不同的支座設計參數。參考相關文獻，支座快速摩擦系數近似取相應慢速摩擦系數的2倍（下文摩擦系數未特殊說明均指慢速摩擦系數）。

圖3 橋梁結構橫斷面圖

圖4 計算模型示意圖

根據該工程橋梁安評報告，工程場地設計地震動加速度反應譜取為：

其中，Amax為設計地震動峰值加速度；β(T)為設計地震動加速度放大系數反應譜。且有：

表1為地表水平地震動參數計算值（5%阻尼比）一覽表。

表1 地表水平向地震動參數計算值（5%阻尼比）一覽表

本文選用安評報告提供的50 a2%的水平和豎向天然地震波進行分析（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 反應譜比較（5%阻尼比）曲線圖

2.2 計算結果分析

橋梁結構減隔震效果的評判指標主要有墩梁相對位移及下部結構最大內力等。使用減隔震裝置后，如果能在地震作用下控制下部結構基本不損傷的同時，墩梁相對位移也能控制在可以接受的范圍之內，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，所以模型計算采用非線性時程分析方法進行分析。

高烈度區，豎向地震作用通常很大。圖8給出了摩擦系數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，當支座軸力變化較大時，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，豎向地震作用較大，采用摩擦擺式支座的減隔震橋梁應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

通過計算各種參數組合下的模型，可以得到不同參數對應的結構減隔震效果。圖10為不同參數對立柱內力的影響。圖11為不同參數對墩梁相對位移的影響。圖12為不同參數對梁梁相對位移（伸縮縫縫寬）的影響。

圖10 墩底彎矩響應曲線圖

圖11 墩梁相對位移響應曲線圖

圖12 梁梁相對位移響應曲線圖

通過對計算結果的分析，可以得出下述結構最大響應值隨支座參數的變化規律：

（1）對于相同的滑動面曲率半徑，墩底內力隨著摩擦系數增大先減小后增大，存在一個合理的摩擦系數使得下部結構內力相對較小。相同摩擦系數條件下，曲率半徑越大，墩底內力越小。

（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增大迅速減小，摩擦系數超過0.03后位移減小幅度趨緩。相同摩擦系數條件下，曲率半徑越大，墩梁相對位移反而減小。

為了進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律。該現象說明曲率半徑對墩梁位移的影響并不總是正相關，其受到地震波頻譜的影響。

由此可見摩擦系數對于控制墩梁位移起著關鍵作用，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，曲率半徑過大，可能導致震后殘余位移較大。

圖13 采用天然波計算的支座滯回曲線圖（不考慮豎向地震）

圖14 采用安評反應譜生成的人工波計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增大先減小后增大。相同摩擦系數條件下，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構的阻尼，當摩擦系數越大，對結構動力反應影響越明顯，導致梁梁相對位移變大。支座曲率半徑直接影響其恢復力剛度，根據文獻[1]可知，曲率半徑越大，結構自身周期對隔震周期的影響越小，梁梁相對位移越小。當曲率半徑增大到一定程度后，其影響大幅減弱。

3 結論

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特性，在此基礎上對某高烈度區采用摩擦擺式隔震支座城市高架橋梁標準段進行減隔震效果分析。結果表明：

（1）高烈度區，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，建議該區域采用此種支座的減隔震橋梁，計算分析時考慮豎向地震作用。

（2）摩擦擺式支座屬于摩擦型耗能器，摩擦系數為其關鍵參數之一。存在一個合理的摩擦系數使得內力和位移達到平衡。

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

[1]彭天波，李建中，范立礎.雙曲面球型減隔震支座的開發及應用[J].同濟大學學報，2007.

[2]José L.Almazán,Juan C.De La Llera,José A.Inaudi.Modelling Aspects of Structures Isolated with the Frictional Pendulum System[J].Earthquake Engng.Struct.Dyn.1998,27:845-867.

[3]王建強,管品武,李大望.摩擦擺基礎隔震結構雙向地震反應分析[J].世界地震工程，2005,21(3):11-12.

[4]范立礎.橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[5]范立礎.王志強.橋梁減隔震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.