摩擦摆减隔震支座在高烈度区高架桥的减震效果分析

郭俊伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 ，上海 200092）

0 引言

摩擦摆式减隔震支座是依靠聚四氟乙烯与不锈钢板组成的摩擦副摩擦耗能的减隔震装置。由于其具有构造简单、良好的自回复、抗平扭能力，同时施工简单，耐久性好等优点，因而受到了国外学者广泛深入研究，近年来已被成功应用于建筑、桥梁、化工、电力等重大工程项目的抗震减灾中。国内学者正逐步将其引入国内桥梁的抗震设计中。

我国是个地震多发的国家，在8度及以上的高烈度区域建设桥梁，地震作用成为控制设计的关键因素。将摩擦摆支座引入到高烈度区的桥梁设计不失为一种可靠的解决方案。然而该类支座在强震下滞回耗能能力及模型参数的选取对减震效果的影响成为设计中亟待解决的问题。本文首先介绍摩擦摆式支座工作原理，然后通过对高烈度区某高架桥梁的支座参数分析，研究讨论支座参数对减隔震效果的影响及选取支座参数的原则和方法。

1 摩擦摆减隔震支座种类及工作原理

FPS支座类型繁多，总体而言可分为上部滑动式（顶板底面为滑动面如图1所示）和下部滑动式（底板顶面为滑动面如图2所示）两种。

工作原理大致相同：中间层滑块由高强抗压材料构成，滑块的圆弧形滑动面在下部结构发生地震位移的时候，由于上部结构的重力及底板滑动面的圆弧形设计，总能产生向心的回复力，同时在整个地震位移过程中滑块和滑动面之间通过摩擦耗散能量。另一方面由于滑块的转动面与上盖板的关节接触方式，上部结构总能保持水平状态。

图1 双曲面球形减隔震支座示意图

图2 FPS支座主要工作原理示意图

为了防止摩擦摆支座在正常运营中出现有害振动，需要设置抗震栓。从而保证支座在正常运营中实现限位功能，在地震作用下，抗震栓剪断，支座滑动实现减隔震功能。

2 摩擦摆减隔震支座减隔震效果分析

2.1 分析模型的建立

本文以某地区地震基本烈度为8度，水平向设计地震动加速度峰值为0.3 g的某高架桥为工程背景，取桥宽为25.5 m，跨径组合为3×30 m的预应力混凝土连续箱梁为研究对象，利用SAP2000软件进行分析。桥梁横断面见图3所示。中墩支座吨位15000 kN，边墩支座吨位7000 kN。为了准确分析结构的地震响应，模型考虑边界联及桩土作用的影响。计算模型如图4所示。

模型中摩擦摆支座采用考虑动轴力耦合的FP模型模拟。支座慢速摩擦系数取为0.01，0.02，0.03，0.04，0.05；支座曲率半径取为3m，5m，7m，9m。将他们进行组合，得到20组不同的支座设计参数。参考相关文献，支座快速摩擦系数近似取相应慢速摩擦系数的2倍（下文摩擦系数未特殊说明均指慢速摩擦系数）。

图3 桥梁结构横断面图

图4 计算模型示意图

根据该工程桥梁安评报告，工程场地设计地震动加速度反应谱取为：

其中，Amax为设计地震动峰值加速度；β(T)为设计地震动加速度放大系数反应谱。且有：

表1为地表水平地震动参数计算值（5%阻尼比）一览表。

表1 地表水平向地震动参数计算值（5%阻尼比）一览表

本文选用安评报告提供的50 a2%的水平和竖向天然地震波进行分析（见图5～图7）。

图5 水平向地震动图示

图6 竖向地震动图示

图7 反应谱比较（5%阻尼比）曲线图

2.2 计算结果分析

桥梁结构减隔震效果的评判指标主要有墩梁相对位移及下部结构最大内力等。使用减隔震装置后，如果能在地震作用下控制下部结构基本不损伤的同时，墩梁相对位移也能控制在可以接受的范围之内，那么其减隔震效果是最为理想的。

减隔震支座属非线性连接单元，所以模型计算采用非线性时程分析方法进行分析。

高烈度区，竖向地震作用通常很大。图8给出了摩擦系数0.03，曲率半径5 m的支座滞回曲线，由于该类支座的摩擦耗能能力与动轴力有关，当支座轴力变化较大时，该类支座的耗能能力将会受到较大影响。从图8可以看出，高烈度区摩擦摆式减隔震支座滞回耗能能力明显受到竖向地震作用的影响。

墩梁相对位移亦受到竖向地震作用的影响。如图9所示。

由图9可知，考虑竖向地震，墩梁相对位移增加14%～23%。因此，高烈度区，竖向地震作用较大，采用摩擦摆式支座的减隔震桥梁应考虑竖向地震作用的影响。

图8 支座滞回曲线图

图9 墩梁相对位移曲线图

通过计算各种参数组合下的模型，可以得到不同参数对应的结构减隔震效果。图10为不同参数对立柱内力的影响。图11为不同参数对墩梁相对位移的影响。图12为不同参数对梁梁相对位移（伸缩缝缝宽）的影响。

图10 墩底弯矩响应曲线图

图11 墩梁相对位移响应曲线图

图12 梁梁相对位移响应曲线图

通过对计算结果的分析，可以得出下述结构最大响应值随支座参数的变化规律：

（1）对于相同的滑动面曲率半径，墩底内力随着摩擦系数增大先减小后增大，存在一个合理的摩擦系数使得下部结构内力相对较小。相同摩擦系数条件下，曲率半径越大，墩底内力越小。

（2）对于相同的滑动面曲率半径，墩梁相对位移随着摩擦系数增大迅速减小，摩擦系数超过0.03后位移减小幅度趋缓。相同摩擦系数条件下，曲率半径越大，墩梁相对位移反而减小。

为了进一步考察曲率半径对墩梁相对位移的影响，图13和图14为摩擦系数0.01下曲率半径分布为3 m和5 m的支座在不同地震波作用下的滞回曲线。由图13和图14可知，在其他条件相同的情况下，曲率半径对墩梁相对位移的影响随着地震波的不同显示出相反的规律。该现象说明曲率半径对墩梁位移的影响并不总是正相关，其受到地震波频谱的影响。

由此可见摩擦系数对于控制墩梁位移起着关键作用，而受到地震波频谱的影响，曲率半径对墩梁位移的控制并不尽如人意。因此，支座曲率半径不易取值过小，同时，曲率半径过大，可能导致震后残余位移较大。

图13 采用天然波计算的支座滞回曲线图（不考虑竖向地震）

图14 采用安评反应谱生成的人工波计算的支座滞回曲线图（不考虑竖向地震）

（3）梁梁相对位移控制梁缝预留宽度，对于相同的滑动面曲率半径，梁梁相对位移总体上随着摩擦系数增大先减小后增大。相同摩擦系数条件下，曲率半径越大，梁梁相对位移总体上越小。支座摩擦耗能增加结构的阻尼，当摩擦系数越大，对结构动力反应影响越明显，导致梁梁相对位移变大。支座曲率半径直接影响其恢复力刚度，根据文献[1]可知，曲率半径越大，结构自身周期对隔震周期的影响越小，梁梁相对位移越小。当曲率半径增大到一定程度后，其影响大幅减弱。

3 结论

本文首先阐述了双曲面球型减隔震支座的工作原理和力学特性，在此基础上对某高烈度区采用摩擦摆式隔震支座城市高架桥梁标准段进行减隔震效果分析。结果表明：

（1）高烈度区，竖向地震作用一般较大，摩擦摆式支座的耗能能力将受到较大影响，建议该区域采用此种支座的减隔震桥梁，计算分析时考虑竖向地震作用。

（2）摩擦摆式支座属于摩擦型耗能器，摩擦系数为其关键参数之一。存在一个合理的摩擦系数使得内力和位移达到平衡。

（3）曲率半径越大，支座恢复力刚度越小，隔震周期越大，墩底内力越小。而墩梁相对位移受到地震波频谱的影响与曲率半径的关系并非总是正相关。曲率半径越大，梁梁相对位移越小。但当曲率半径增大到一定程度后，其影响大幅减弱。

[1]彭天波，李建中，范立础.双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J].同济大学学报，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]王建强,管品武,李大望.摩擦摆基础隔震结构双向地震反应分析[J].世界地震工程，2005,21(3):11-12.

[4]范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

[5]范立础.王志强.桥梁减隔震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.