高速鐵路橋梁摩擦擺支座的應用研究

馬錫棟 徐天宇

摘要：研究減隔震技術中的摩擦擺支座在高速鐵路橋梁上的應用。對比傳統高速鐵路橋梁“抗震”裝置，分析減隔震技術中摩擦擺支座的構造、原理、主要影響因素及隔震效果，對于解決高速鐵路橋梁架于地震帶之上的問題具有重要意義。

關鍵詞：高速鐵路;橋梁;摩擦擺支座;隔震

一、研究背景與意義

眾所周知，我國是世界范圍的高速鐵路大國，通過"引進、消化、吸收、再創新"的方針，目前國內高速鐵路里程占比更達全球總里程的一半以上;據統計，截止2017年年末，我國已建成并通車的高鐵運營里程達25000公里，其中橋梁里程達11300公里，約占已通車高鐵運營里程的一半?？梢娫谝巹潯⒔ㄔO高鐵過程中橋梁已成為高速鐵路工程的主要組成部分[1]。

此外，中國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。近十年來，中國西部頻頻發生地震，例如2008年汶川的8.0級大地震，期間造成超過萬人傷亡，直接經濟損失高達8451億元人民幣，地震不僅直接摧毀了房屋等建筑，還對鐵路等交通運輸系統造成了極其嚴重的破壞。

隨著我國國民經濟的不斷提升、新時期“八縱八橫”高速鐵路網的建設（如圖1），地震帶地區的鐵路橋梁抗震便成為了至關重要的關卡，必須對高速鐵路橋梁實施減隔震技術，以實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設防目標。

20世紀70年代，傳統的依靠結構變形、破壞實現抗震的延性抗震技術已經不能滿足人們的需求，同時，新型的減隔震技術因其優越的抗震效果，在各國鐵路橋梁建設中不斷被采用，譬如我國南疆鐵路的布谷孜大橋。但截止目前，國內外對減隔震技術的應用僅局限于普通鐵路橋梁，并未在高速鐵路橋梁中植入，這是因為匹配高速鐵路橋梁的裝置剛度需求更高、耐久性更強、動力學性能更優，傳統的減隔震技術并不能滿足。因此面對高速鐵路猛速發展與多地震帶地理環境的矛盾，應當引入減震設計方法，探尋和研究適合高速鐵路橋梁減震設計的措施，增強高速鐵路橋梁抵御地震災害的能力[2]。

二、常用減隔震技術

減隔震技術是一種高效的新型抗震技術，現今已廣泛應用于房屋建筑、普通公路橋梁上，并且效果較傳統的延性抗震技術更為明顯[3]。近30多年，國內外技術人員通過采用柔性支承延長結構周期、采用阻尼器式能量耗散元件以限制結構位移、保證結構足夠剛度[3]等措施的基礎上，研發了許多類型的減隔震裝置，接下來以鉛芯橡膠支座、盆式橡膠支座、摩擦擺支座為例，展開不同減隔震技術的介紹：

（一）鉛芯橡膠支座：在普通疊層橡膠支座的基礎上改進（如圖2），鉛芯橡膠支座正是通過在普通疊層橡膠支座中的圓孔中插入純度很高的鉛芯來實現初始剛度較高、塑性變形能力弱和屈服點低等優良性能，因此鉛芯橡膠支座既具備了普通疊層橡膠支座豎向承載力大和水平變形能力強的優點，還具備了一定的初始剛度，使支座阻尼比提高到了20%～30%。

（二）盆式橡膠支座：同樣由疊層橡膠支座改良發展而來，屬滑動摩擦支座。盆式橡膠支座通過其內部半封閉的鋼制盆腔約束橡膠板，從而使橡膠板三向受力，提高豎向承載力。除此之外，橡膠板自身的流體性質能夠實現支座與上部結構轉動。在橡膠板的上方，采用鋼襯板與密封圈密封橡膠圈，并通過鋼襯板上的聚四氟乙烯板與上支座板下的不銹鋼板摩擦實現支座的水平滑移（如圖3）。

（三）摩擦擺支座：通過一個球形滑動表面以及一個抗壓強度很高的滑塊組成鐘擺系統，在地震作用下，通過滑塊在球形表面來回滑動延長隔震系統的周期，大幅減少結構在地震作用下的振動放大效應;在滑塊的滑動過程中，界面摩擦消耗了一定的地震能量;并且在支座發生水平滑移后，橋梁通過自身的重力作用與滑塊的滑動實現自行復位。

雖然鉛芯橡膠減震支座已在國內外數百座橋梁上得到了應用[4～5]，但其存在豎向承載能力有限，耐久性差、穩定性差等問題;盆式橡膠支座雖然豎向承載能力與鉛芯橡膠支座相較有較大的提高，但其自身仍存在滯回耗能能力有限、自復位能力弱等缺點。因此，這兩類減隔震裝置都不能成為高速鐵路橋梁理想的減隔震裝置[6]。但摩擦擺支座恰具有承載能力高、穩定性良好、復位功能和抗扭能力強等特點，并已在國外公路橋梁的抗震設計及抗震加固中得到了廣泛的應用，因此摩擦擺支座相較前兩者更具優勢[7～8]。

三、影響摩擦擺支座隔震性能的主要因素

（一）摩擦擺支座的減隔震原理

摩擦擺支座的減隔震原理[比較簡單，如圖3所示，橋梁梁體部分支承在球形滑面上，當所受的水平荷載小于限位裝置的最大限位力和靜摩擦力之和時，滑塊不會滑動，保證橋梁在正常運營荷載下的剛度;當所受的水平荷載大于限位裝置的最大限位力和靜摩擦力之和時，限位裝置剪斷，滑塊開始滑動。此時，梁體相對橋墩發生位移，滑塊沿著球形滑面像鐘擺一樣發 生運動，在水平力減弱后，滑塊又能在豎向荷載的作用下自動復位[9]。

如圖5所示，摩擦擺支座支座受豎向荷載 W作用，水平位移為 D，滑面曲率半徑為 R， 滑塊與滑面的靜摩擦系數為 μ。則有 D=Rsinθ，滑塊豎向壓力為 N=Wcosθ，滑塊所受摩擦力為 f=μNsgn（θ），由這些力在支座滑面中心點的彎矩靜力平衡，可得支座所受水平力 F=WD/Rcosθ+f/cosθ，由于支座滑面曲率半徑一般比較大，所以θ比較小，上式可以寫成 F=WD/R+μWsgn（θ）。因此，摩擦擺支座由其豎向荷載產生的水平剛度 K2=W/R，則隔震系統的周期為：

由式（3-1）可得，裝置隔震周期與支座的豎向荷載無關。此外從圖中的支座滯回曲線也可以明顯看出，支座初始屈服剛度 K1較大，由式 K1=μW/Y 求得，其中 Y 表示在將要滑動前支座產生的彈性剪切變形;屈服后剛度變為 K2=W/R，滯回面積E表明了滑塊摩擦引起的耗能，此類滯回行為被稱為剛性-線性滯回。其中摩擦擺支座的等效剛度 Keff為：

（二）影響摩擦擺支座減隔震效果的因素

1、墩高。墩高對摩擦擺支座的墩底彎矩減、隔震效果有較大的影響，7m墩高的墩底彎矩減震率明顯好于13m墩高的墩底彎矩減震率。墩高對摩擦擺支座的最大水平滑動位移也有一定的影響，7m墩高的最大水平滑動位移小于13m墩高的最大水平滑動位移。

2、地震強度。地震強度對摩擦擺支座的最大水平滑動位移影響較大，摩擦擺支座的最大水平滑動位移隨地震強度的增大而增加。

3、場地類型。場地類型對墩底彎矩的減、隔震效果及墩、梁相對位移有較大影響[10]。

4、曲率半徑。過大的曲率半徑會導致橋板的大幅度晃動，落梁的概率大大增加。過小的曲率半徑會導致減震球擺的晃動太小，對于消耗地震能量起不到太大的作用。

5、限位裝置。目前世界上有多種限位裝置，每種限位裝置都有不同的優缺點，如何選取合適的限位裝置成為設計摩擦擺支座的一大問題。

6、摩擦系數。在準確的曲率半徑基礎上，選取合適的摩擦系數才能有效地增加高鐵橋梁的抗震性。

（三）合理確定三個主要因素

1、曲率半徑

摩擦擺支座的曲率半徑對高速鐵路橋梁的地震反應有較大影響，從力學平衡原理出發對摩擦擺支座曲率半徑進行理論分析，發現曲率半徑變化對摩擦擺支座殘余位移的影響在順橋、橫橋情況下均不能忽略，因此在高速鐵路橋梁摩擦擺支座隔震設計中，應當考慮曲率半徑對梁體位移、支座殘余位移和橋墩內力的影響，再因地制宜選擇曲率半徑。

2、限位裝置

查閱資料發現限位裝置破壞的現象非常普遍。在地震作用下，橋梁結構因限位裝置的參與改變了橋梁體系受力狀態，使橋梁下部結構內力分布和位移發生變化，因此，限位裝置僅作為構造措施是不合理的;另外，忽略限位裝置與主梁的碰撞作用，因限位裝置及下部結構的地震響應則會對橋梁結構造成不安全的影響因素，因此，設計限位裝置需要考慮橋梁結構受力體系等相關問題。

3、摩擦系數

摩擦擺支座的摩擦系數對支座的阻尼性能有較大影響。不少文獻都展開了對摩擦擺支座摩擦副特性的研究，表明了溫度、壓力、滑移速度等因素對耐磨板摩擦系數的影響。這些研究表明精確地控制摩擦系數是困難的，但盡量清晰地探明各種因素對摩擦副摩擦系數的影響是有必要的;由于國內外各個摩擦擺廠家設計生產摩擦擺支座的習慣或者設計應用目標不同，因而對兩個球面曲率取值不同。此外，石家莊鐵道大學黃宇辰[9]提出在順橋、橫橋不同情況下，隨摩擦系數增大，橋梁中跨結構位移與內力均增大、邊跨結構位移與內力增大或無明顯變化的研究結論。綜上所述，在高速鐵路橋梁的摩擦擺支座隔震設計當中，應當將梁體位移、鋼軌內向變形和橋墩內力變化結合起來綜合考慮，得出摩擦擺支座的摩擦系數不宜過高，也不宜過小的設計要求。

（四）應用于高速鐵路橋梁的模擬分析

某高速鐵路的4×32m簡支梁橋如圖5所示。墩高 H = 13m，直坡圓端形截面。橋址位于8度地震區，罕遇地震下地震峰值加速度為0. 38g，II類場地，場地特征周期Tg = 0. 35s。以3號橋墩順橋向為摩擦擺支座的隔震研究對象，按上述原則確定摩擦擺裝置參數見表1，支座的布置如圖6所示[9]。

四、結語：

在高鐵日益發展的今天，高速鐵路大部分以橋代路與多地震帶之間的矛盾下，對比分析各類常用減隔震裝置，證明了摩擦擺支座應用于高速鐵路橋梁能提高高鐵橋梁抗震性能的可能，以實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目標。鑒于高速鐵路橋梁對抗震性能的要求較高，為盡可能減少頻發小地震對高速度鐵路橋的影響、提高強震下高鐵橋梁的抗震性能，本文提出以下三個建議：

（一）多遇地震下，通過設置抗滑螺栓及限滑塊使支座不發生擺動，其中抗滑螺栓的剪斷力不低于制動力與多遇地震下支座水平力的較大值。利用支座及下部結構的強度抗震，隔震前后橋墩控制截面的地震彎矩小于其初始屈服彎矩，結構處于彈性狀態;

（二）設計地震下，抗滑螺栓剪斷、摩擦擺支座發生擺動，利用支座的擺動隔震及摩擦耗能減震，結構處于彈性狀態;

（三）罕遇地震下，摩擦擺支座的功能與設計地震下相近相同，但驗算時要求隔震前后橋墩控制截面的地震彎矩小于其等效屈服彎矩利用支座的擺動隔震及摩擦耗能減震，結構處于基本彈性狀態[10，11]。

參考文獻：

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[9]黃宇辰. FPS在高速鐵路簡支梁橋中的適用性研究[D].石家莊鐵道大學，2016.

[10]夏修身，趙會東，歐陽輝來. 高速鐵路橋梁基于摩擦擺支座的減隔震研究[J].工程抗震與加固改造，2014，（03）：21-26.

[11]李冰，王少華，鄧斌.摩擦擺支座在高速鐵路橋梁中的隔震性能研究[J].機械科學與技術，2015，（03）：339-343.