摩擦擺支座的隔震周期對橋梁減震效率的影響分析

李海冬

天津市市政工程設計研究院 天津 300051

減隔震設計顧名思義就是通過橋梁上某些構件的耗能來減小地震力，從而保護整個橋梁不至產生不可控制的破壞。支座作為承上啟下的構件最適合承擔橋梁結構的減隔震功能。目前市場上較為常見的應用于橋梁工程的減隔震支座主要有：橡膠減隔震支座、摩擦擺支座、軟鋼阻尼支座、粘滯阻尼支座等[1]。其中摩擦擺支座以其承載力高，減震隔效果好等優點被國內外橋梁設計師廣泛采用。

1 摩擦擺支座的工作原理及減震效率

1.1 摩擦擺支座工作原理

摩擦擺支座是一種利用鐘擺原理實現減隔震功能的支座，最早來源于20世紀80年代的美國[2]，主要通過滑動界面的摩擦來實現減震功能，通過圓弧界面的擺動延長梁體周期實現減震功能。摩擦擺支座的工作原理簡圖如圖1所示。

大部分的減隔震支座都可以用力和位移的關系曲線進行模擬，摩擦擺支座的圓弧滑動面能夠限制摩擦支座的位移，從而能夠使橋梁結構在受到地震作用后恢復原位。以摩擦擺支座的減隔震作用原理為依據，可以按照荷載—位移滯回曲線模型來模擬摩擦擺隔震支座的力學特性，如圖2所示。

1.2 摩擦擺支座減震效率

減震效率就是用來描述將地震內力、地震位移等效應減小程度的能力，通常是用來描述減隔震裝置的減震能力[3]。這里我們提出一種計算減震效率的方法。我們將橋梁結構分為兩種狀態，第一種狀態是結構未采用任何減隔震措施，此種狀態下地震力的大小完全取決于結構本身的自振周期，結構處于線彈性工作狀態，這種狀態下結構地震效應的計算可以通過反應譜法來進行；第二種狀態是結構采用了減隔震支座——即摩擦擺，此種狀態下地震力的大小由結構本身剛度與摩擦擺支座的剛度共同決定，由于摩擦擺支座具有上述的荷載—位移滯回曲線特性，結構處于非線性狀態，此時的地震效應計算需要采用時程分析法進行。我們把第一種狀態下的地震效應稱為Sw，第二種狀態下的地震效應稱為Sj。根據前文所述的減震效率的概念，便可得出減震效率A的計算方法，見公式（1）：

2 抗震設計模型的建立

2.1 結構形式選擇

選取某快速路跨越相交道路一聯40+60+40m變截面連續箱梁作為本次計算的結構形式，連續箱梁斷面全寬26m，支點處梁高2m，跨中梁高4m，縱斷面呈2次拋物線變化。橋梁結構支座采用摩擦擺支座，邊墩支座承載力9000kN，中墩支座承載力30000kN；墩柱采用雙柱式矩形墩柱，墩柱尺寸2.2x2.2m，兩墩柱之間采用系梁連接，中墩墩柱高度根據計算需要選取6m和12m兩種；基礎采用承臺群樁基礎，中墩承臺尺寸10.3x10.3m，樁基礎采用3排3列Ф1.5m鉆孔灌注樁。

2.2 計算模型的建立

采用MidasCivil計算軟件建立全橋有限元模型，全橋有限元模型如圖3所示。對于支座，借助Civil軟件的摩擦擺模塊，可以模擬出摩擦擺支座的結構模型。對于基礎，根據m法的計算原理，可以將樁基礎作為6自由度一般支撐來考慮，這樣既簡化了運算量，又可以在計算精度上滿足要求。對于荷載，地震波采用人工生成的形式，按照工程所處地區，本橋橋位處，基本地震烈度8度，基本峰值加速度0.2g，場地土類別為Ⅱ類，特征周期分區值為0.40s。

3 計算結果分析

3.1 計算工況

隔震周期是摩擦擺支座最重要的參數之一[4]，直接影響地震效應的大小。為了量化隔震周期造成的影響大小，我們分別針對上文提出的2種墩高，計算5種隔震周期下不同的地震響應，周期取值分別為：2s、2.5s、3s、3.5s、4s。根據各工況下的地震響應，由公式（1）可分別計算出對應的減震效率。

3.2 計算結果

經過計算我們分別得出了2種墩高，5種隔震周期時各工況的墩底彎矩的減震效率和墩底剪力的減震效率計算結果，詳見圖4、圖5。

由上兩圖可以看出，不同的隔震周期下，摩擦擺支座對地震作用的減震效率是不同的，且隨著隔震周期的增大，減震效率逐漸增高。究其原因，是因為隔震周期增加結構整體周期延長，可以有效地延緩地震力的發揮，也就是起到了減隔震的作用。而且從圖中可以看出，彎矩效應和剪力效應的變化規律基本一致。

此外，對比圖4和圖5可以發現，當墩高相對較矮（6m）時，隔震周期對減震效率的影響比較緩慢；而當墩高相對較高（12m）時，隔震周期對減震效率的影響較為顯著，足以見得，摩擦擺支座隔震周期的選擇，對于高墩柱比較敏感。

4 結論

（1）本文提出了一種考量摩擦擺支座工作能力的方法，即采用減震效率來量化摩擦擺支座在實際地震工況下的工作能力。

（2）通過模型計算分析，可以得出：選取較大的隔震周期可以提高摩擦擺支座的減震效率，通俗地講，就是可以更多的減掉地震力，讓結構更加安全；對于墩高較矮的墩柱，采用提高隔震周期的方式來提高減震效率作用甚微，而對于墩高相對較高的墩柱，采用提高隔震周期的方式來提高減震效率效果較為顯著。因此，對于今后采用摩擦擺減隔震支座的橋梁結構，在進行支座參數選擇時，可以通過提高隔震周期的方式來減小地震力，以保證結構的安全。