串聯式變剛度摩擦擺支座設計與驗證

摘 要：為使支座適應減隔震橋梁在日常使用、多遇地震以及罕遇地震等多種工況的不同需求，本文對國內外的減隔震技術進行分析，將滑動摩擦、單擺運動以及橡膠剪切阻尼結構進行有機結合，使支座在不同工況下具有不同的水平剛度，實現相應的減隔震效果。通過結構理論設計、實體減隔震性能試驗以及有限元分析，驗證了該新型支座的減隔震性能和承載性能符合預期，其力學行為可控，實現了不同工況中隔震效果的協調性，避免了過大的位移反應給橋梁設計、施工造成的不利影響。

關鍵詞：橋梁工程；減隔震支座；變剛度；行為可控

中圖分類號：TU 69 " " " " 文獻標志碼：A

自從汶川大地震以來，我國對橋梁及建筑減震進行深入研究，目前，主要采用減、隔震的設計理念。減、隔震設計的基本原理是延長結構的震動周期以隔離地震能量并通過減震裝置增加阻尼、吸收自下而上傳遞的部分地震能量以降低結構的地震反應，減輕地震損傷。當結構的震動周期延長時，可以使結構避開地震中幅值比較顯著的分量，能避免共振現象的發生，減少結構的地震反應，但延長結構周期會增加結構的位移反應。國內相關減隔震裝置規范對不同工況的裝置性能考慮不夠周全，有必要結合不同的功能需求，研發一款適應多工況的變剛度減隔震支座。

1 支座構造設計

1.1 國內外技術情況

日本《道路橋示方書·同解說：耐震設計篇》[1]傾向于將地震作用同時分布在橋梁各墩臺，并通過支座的阻尼效果耗散地震能量，以避免結構之間留有較大的隔震縫隙，降低伸縮縫的設計選型難度。

美國Guide Specifications for Seismic Isolation Design[2]采用上下限的方法計算減隔震橋梁的反應情況，通過取用不同的修正系數分別計算得到最大地震力作用和最大位移量。

我國《公路橋梁抗震設計細則》[3]介紹了減隔震裝置的性能要求和抗震驗算，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布的《城市橋梁抗震設計規范》[4]補充規定“地震基本烈度為6度及以上地區的城市橋梁，必須進行抗震設計。”目前，國內規范對摩擦擺類減隔震支座[5]的摩擦系數沒有參照美標進行上下限分析，支座摩擦系數在不同環境及荷載作用下存在一定差異，對支座的減隔震效果有很大影響。石巖等對國內外隔震抗震相關規范進行詳細分析[6]。

1.2 新型支座設計理念

1.2.1 常規支座摩擦性能

在日常使用中，要求支座的滑動摩擦系數低，這樣有利于適應梁體的伸縮變形。當地震時，需要的摩擦系數高，這樣可以耗散地震能量，這2種工況對摩擦系數的要求迥異。目前，常規的摩擦擺減隔震支座并不能同時適應2種工況要求。

1.2.2 材料摩擦系數

摩擦系數受潤滑方式、徑向壓力、滑動速度、溫度以及濕度等方面的影響，不完全可控。

1.2.3 變剛度支座理念

減隔震時支座的偏心的位移量?以及支座上的豎向荷載P使橋梁墩、臺承受附加的偏心彎矩P·?的作用，即P-?效應。位移量?越大，墩、臺承受的水平力越小，但是附加的偏心彎矩越大，支座的尺寸和墩、臺頂面的尺寸也相應增加，給支座設計及安裝帶來不便，因此，有必要控制減隔震支座的最大位移反應。基于上述摩擦系數不完全可控、不同工況所需性能不同的問題，提出一種變剛度支座設計理念。該支座日常使用時通過低摩擦系數適應橋梁變形，當地震發生較大位移時，根據橡膠隔震支座的剪切變形效果實現阻尼耗能。日常工作時，支座沿上下支座板凹球面滑動摩擦，多遇地震時單擺結構隔震水平剛度小，罕遇地震位移量到達一定程度時阻尼剛度增加，2種隔震結構串聯。串聯式變剛度摩擦擺支座是一種具有不同剛度特性、不同減隔震結構的支座，即一種不同工況呈現剛度變化的減隔震支座。

2 支座設計與試驗驗證

2.1 支座結構及原理

良好的減隔震支座性能是結構隔震設計的關鍵，隔震設計的目標為多遇地震隔斷能量傳遞、罕遇地震控制隔震層變形和支座內力，而橡膠隔震支座[7]和摩擦滑板支座均只具有逐漸降低或單一的水平剛度特性，難以滿足上述內容中不同階段的剛度需求。因此，設計具有變剛度特性的減隔震支座以適應多遇地震和罕遇地震不同階段的剛度需求，對實現最優的隔震效果具有十分重要的意義。串聯式變剛度摩擦擺支座主要由上下支座板、阻尼球冠板和滑板等組成。當多遇地震時該支座主要靠阻尼球冠板與上、下支座板組成的球面滑動摩擦副擺動以及阻尼橡膠層微小剪切變形共同起到一階隔震作用，此時支座具有較小的水平剛度；罕遇地震或設計設定目標時，該支座靠阻尼球冠板中的橡膠剪切變形達到二階隔震作用。此時，支座水平剛度大幅上升，實現了降低隔震層變形和上部結構整體位移的目標。支座不同工況下的運動狀態如圖1所示。

2.2 減隔震性能設計與試驗

為驗證串聯式變剛度摩擦擺支座的減隔震效果是否符合預期，本研究制作了BSJZ-2.0-g100-R4型支座進行實體試驗，該支座設計豎向承載力為2MN，一階隔震位移量為±75mm，二階隔震變形量為±25mm，支座總體隔震位移量為±100mm，減隔震等效半徑為4m。試驗支座的阻尼球冠板結構如圖2所示，主要設計參數見表1。

試驗設備使用YJW-15000型微機控制電液伺服動態壓剪試驗機，該設備可提供豎向試驗壓力1500t、水平動態剪切力200t、水平靜態剪切力300t、水平最大位移量±600mm。除內部預設各類支座成品性能試驗的操作程序外，還允許用戶靈活地自定義程序，可滿足目前橋梁及建筑規范常用的豎向荷載、水平剪切變形、支座摩擦系數以及減隔震性能等多種支座的試驗需求。

結合《公路橋梁摩擦擺式減隔震支座》[5]（JT/T 852—2013）的試驗方法及要求，本次減隔震性能試驗中對支座加載試驗荷載2000kN，水平位移按d（t）=d（x）·sin（2π·f0·t）（其中f0=v0/（2π·d（x）），v0為加載峰值速度，d（x）為加載幅值）進行正弦波加載，加載幅值按試樣設計總體隔震位移量的25%、50%、75%、100%分別施加，該樣件的總體隔震位移量為±100mm，每個工況進行3個循環，測定水平力大小，記錄剪力-位移曲線。試驗在YJW-15000型動態壓剪試驗機上進行，通過試驗得到支座在不同加載幅值工況下的響應狀態，加載幅值100%工況對應的剪力-位移曲線如圖3所示。

由試驗得到的剪力-位移曲線可以看出，支座在加載幅值75%之前具有較穩定的屈后剛度。此階段主要是阻尼球冠板與上下支座板之間的球面滑動結構發揮作用，伴有阻尼橡膠層的微量剪切變形；加載幅值75%～100%階段剛度明顯增強，此階段摩擦擺結構的一階隔震變形量已達到極限，通過阻尼橡膠層的剪切變形實現二階隔震變形量，二階隔震階段展示了較大的水平剛度，有利于在罕遇地震時控制結構的過大位移響應，符合預期效果。

通過圖3的剪力-位移曲線可以簡單計算得到，支座在一階隔震階段的屈后剛度實測值約400kN/m，二階隔震階段的剛度約2000kN/m。通過支座參數可計算得到，一階隔震階段摩擦擺結構的滑移剛度為500kN/m，支座的水平方向減隔震結構由摩擦擺滑移結構與阻尼橡膠層隔震結構串聯組成，因此串聯剛度應為1/k=1/k1+1/k2，其中k1為摩擦擺結構滑移剛度，k2為阻尼橡膠層結構剛度，從而可以計算得到阻尼橡膠層結構剛度k2=2000kN/m，與試驗結果得到的二階隔震階段的橡膠阻尼剛度一致。

2.3 有限元分析

為考查試制樣件的受力狀態，對試驗型號支座BSJZ-2.0-g100-R4進行有限元分析。使用SolidWorks軟件對支座各零部件分別建模裝配并通過Simulation進行算例分析。需要定義各零件材料屬性、設置零部件連結方式、設定約束夾具、施加靜力荷載、劃分模型網格、運行算例、設置模型各零部件之間為全局接觸，接觸類型無穿透。對下支座板底平面6個自由度完全固定進行約束，對上支座板頂平面施加2000kN豎向荷載。當劃分網格時選擇“基于曲率的網格”，基于曲率的網格算法用可變化的單元大小來生成網格，有利于在幾何體的細小特征處獲得精確的結果，網格最大單元大小為5.62mm，最小單元大小為1.3 mm，雅可比點為4點。有限元分析共分為3種工況，即支座分別在初始位置狀態、一階隔震狀態和二階隔震狀態，通過分析得到3種工況下支座的應力云圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，除四氟滑板邊緣相近位置存在應力集中外，支座整體在各工況下的應力狀態均滿足承載需求。應力集中主要發生于一階隔震狀態和二階隔震狀態，因支座發生水平變形后阻尼球冠板移動到上下支座板內腔的一側，而四氟滑板鑲嵌在上下支座板中心的凹球面上，且與上下支座板的球面相比外凸，所以四氟滑板與阻尼球冠板上的鏡面不銹鋼板滑動配合。支座阻尼球冠板移動后，四氟滑板在位移方向一側的邊緣壓應力高于其他部位，然而四氟滑板作為一種高分子聚合物，當達到一定壓力時材料發生蠕變，有利于緩解支座內部滑板邊緣位置的應力集中情況。

3 結語

通過將滑動摩擦、單擺運動和橡膠剪切阻尼多種不同的結構進行有機結合，得到了串聯式變剛度摩擦擺支座，實現了減隔震支座在不同工況下的不同性能：1）當日常使用時，支座通過四氟滑板與不銹鋼板的滑動適應梁體伸縮變形，該滑動摩擦副具有較小的摩擦系數，日常使用時變形靈活。2）當多遇地震時，支座沿著上下支座板的球面發生擺動，利用單擺原理延長振動周期，隔斷地震能量傳遞。3）當罕遇地震位移反應過大時，通過阻尼橡膠體剪切變形進行阻尼隔震，橡膠體剪切剛度與擺動隔震剛度相比明顯提高，有利于控制結構物的位移反應。通過試驗和仿真，驗證了串聯式變剛度摩擦擺支座的減隔震效果和承載性能，該支座模型力學行為可控，證實了其具有很好的環境適應性，解決了現有規范中多工況考慮不周全的問題，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1]日本道路協會.道路橋示方書·同解說 V 耐震設計編[S].東京：丸善出版株式會社，2002：4-5.

[2]AASHTO.Guide specifications for seismic isolation design：third

edition[S].Washington：American association of state highway and transportation officials，2020：21-22.

[3]中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁抗震設計細則：JTG/T B02-01—2008[S].北京：人民交通出版社，2008：46-48.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市橋梁抗震設計規范：CJJ 166—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2012：8.

[5]中國公路學會橋梁和結構工程分會.公路橋梁摩擦擺式減隔震支座：JT/T 852—2013[S].北京：人民交通出版社，2013：12.

[6]石巖，王東升，孫治國.中美日橋梁減隔震設計規范的比較研究[J].地震工程與工程振動，2015，35（5）：79-84.

[7]全國橡膠與橡膠制品標準化技術委員會橡膠雜品分會.橡膠支座 第2部分：橋梁隔震橡膠支座：GB/T 20688.2—2006[S].北京：中國標準出版社，2006：7-14.