抗拔型摩擦摆支座力学性能试验研究

王伟强，曹志峰，卜继玲，程海涛

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

抗拔型摩擦摆支座力学性能试验研究

王伟强，曹志峰，卜继玲，程海涛

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

开发了一种新型抗拔型摩擦摆支座，并进行了力学性能试验研究。通过试验研究了滞回模型，试验内容包括测试支座的水平力学特性和竖向力学特性。研究了竖向承载力、加载频率对滞回阻尼耗能的影响，验证了支座的竖向抗拉拔特性。结果表明:抗拔型摩擦摆支座的试验结果与理论分析结果吻合较好，验证了支座力学模型的合理性;该支座具有良好的滞回阻尼耗能功能和竖向阻尼耗能功能，同时实现了竖向抗拔功能。

抗拔;摩擦摆支座;滞回模型;力学性能;等效摩擦系数

由于摩擦摆支座缺乏竖向抗拔功能，因此地震的竖向作用会引起支座产生竖向反力，导致支座的临界滑动力和滞回耗能受到影响，从而影响隔震桥梁的地震反应［1-2］。目前应用于隔震桥梁结构的支座主要有橡胶支座、滞变型钢阻尼支座、摩擦摆支座，其中摩擦摆支座主要通过滑动面的设计延长结构的振动周期，从而达到隔震消能的目的。由于摩擦摆支座在稳定性、自复位能力、抗平扭能力等方面具有优势，经过不断的发展，该支座在工程应用中得到推广，但仍存在上述问题［3-5］。为了解决摩擦摆支座的受拉问题，可采用抗拔型摩擦摆支座进行阻尼耗能减震，具有良好的减隔震效果［6-7］。

目前采用阻尼耗能减震技术已成为一种安全有效且成熟可靠的工程减震控制技术，通过在结构的其他部位增加耗能装置，为结构提供附加阻尼或附加刚度，因此在风荷载或地震荷载作用下主要通过附加耗能装置释放输入结构的地震能量，降低上部结构的地震响应，从而保护上部结构的安全［8］。国内外学者开发了不同类型的抗拔型摩擦摆支座，如ROUSSIS等［9］开发了抗拔型摩擦摆支座;薛素铎等［10］、王秀丽等［11］分别开发了竖向抗拔摩擦摆支座以及结合钢弹簧开发的抗拔型三重摩擦摆支座。本文开发的抗拔型摩擦摆支座，与已有的抗拔型摩擦摆支座相比，该支座可通过抗拔块的阻尼耗能为摩擦摆支座提供竖向抗拔力，改变上部结构的阻尼比和自振周期，从而减轻地震作用的动力放大反应，避免桥梁上部结构发生落梁。

图1　支座试验模型

1　支座力学性能

1.1支座基本构造

新型抗拔型摩擦摆支座由摩擦摆支座、抗拔块组成，其中摩擦摆支座由上座板、中座板、下座板、上耐磨板、下耐磨板组成，见图1。上、下座板均有一个球形凹面，一个用来滑动，一个用来转动，构成摩擦摆支座的2个球面摩擦副。由于滑动摩擦副为球面干摩擦副，因此上座板的球形凹面焊有抛光不锈钢板。中座板与T形导槽的下底面采用镀铬处理，减小转动摩擦副及T形导槽与抗拔块间的滑动摩擦。上、下耐磨板分别嵌入中座板的上球形凸面和下座板的球形凹面。上座板的球形凹面边缘设置环形挡块，起到控制支座最大水平位移的作用。当中座板碰到环形挡块时，支座停止滑动，此时支座的水平位移为最大水平位移Dmax。

1.2支座力学模型

不同曲率半径的滑动面和转动面的先后滑动顺序由摩擦系数决定，当摩擦摆支座受到的水平力F大于某个面的最大静摩擦力fmax时，该面开始滑动，因此抗拔型摩擦摆支座的滑动顺序一般是转动面先于滑动面滑动。摩擦摆支座可简化成一个钟摆模型，见图2(a)。上座板和中座板构成铰接滑块，滑块在等效曲率半径为Re的圆弧滑道上做往复单摆运动，θ为滑块运动到偏离竖向对称轴的最大转角，取逆时针为正。滑块的竖向荷载为W，滑块产生的正压力为N= W cosθ，水平滑移位移为D=Resinθ，其中Re=Re1+ Re2，Re1，Re2分别为滑动面和转动面的等效曲率半径。由于滑块在滑动面滑动时受到转动面的影响，因此滑块与滑道间的摩擦力为，其中μe为等效摩擦系数为符号函数(逆时针滑动为1，顺时针滑动为－1)。

根据力的平衡原理可得摩擦摆支座的水平力F的平衡方程式

由于θ很小，上式可简化为

摩擦摆支座的滞回模型见图2(b)，Dy为支座屈服位移，即支座克服静摩擦力滑行的微小位移，此阶段的刚度为初始刚度Ki;K为支座的屈后刚度，K= W/Re。该滞回模型与纵轴的交点为支座的滑动摩擦力μeW。由于摩擦摆支座力学模型具有非线性特征，需要得到支座等效线性刚度Ke和等效粘滞阻尼比βe。

图2　摩擦摆支座受力模型

摩擦摆支座的等效线性刚度Ke为

根据美国的工程应用经验，支座克服静摩擦力滑行的距离取2.5 mm，即屈服位移Dy=2.5 mm，此时的等效刚度Ke即为初始刚度Ki［12］。

摩擦摆支座的等效粘滞阻尼比βe和滞回阻尼耗能EDs与最大应变能Es有关，根据支座的滞回曲线可得

由式(3)、(4)可知，除去几何参数外，摩擦摆支座的力学性能仅与等效摩擦系数μe有关。

由于竖向抗拔块仅在竖向产生弹塑性变形，因此新型支座的水平刚度为

式中:KH，KFH分别为新型支座、摩擦摆支座的水平刚度。

新型支座的竖向抗压刚度为

新型支座的竖向抗拉刚度为

式中:KC，KFC分别为新型支座、摩擦摆支座的竖向抗压刚度;KT，Kui分别为新型支座、抗拔块的竖向抗拉刚度;n为组成支座的抗拔块数量。

2　试验研究

2.1试验基本概况

为了研究抗拔型摩擦摆支座在不同外部激励条件下的水平耗能特性及竖向耗能特性，试验模型选用抗拔型摩擦摆支座(Uplift-resistance-type Friction Pendulum Bearing，URTFPB)，参见图1。抗拔型摩擦摆支座的设计参数:竖向承载力为4 000 kN，竖向抗拔力为720 kN，水平反力为300 kN，设计转角为0.02 rad，水平位移为±100 mm。基于力学性能的抗震设计要求，该支座的水平力学性能测试:设计承载力分别为2 000，3 000，4 000 kN，以正弦波形式施加水平位移，分别为±50，±75，±100 mm，并往复循环10次;水平荷载的加载频率分别为0.05，0.10，0.20 Hz。通过试验机施加水平载荷，由试验机的加载和测试系统测出水平反力对应的水平位移，试验装置见图3(a)。该支座采用抗拔装置进行竖向力学性能测试，抗拔块竖向加载力为180 kN，并记录竖向拉拔力与竖向位移的变形关系，试验装置见图3(b)。

图3　测试装置

上述试验加载分别采用南车株洲电力机车研究所有限公司新材料检测中心的2 500 t减隔振支座二维加载试验机、CSS44600电子万能试验机。

2.2试验结果分析

2.2.1水平力学特性

对不同加载频率、不同竖向承载力下的滞回曲线进行了对比分析，见图4、图5。由图4可知，支座在不同加载频率下的滞回曲线基本一致，随着加载频率的增大，相同竖向承载力和水平位移下的最大水平反力变化不大。由图5可知，支座在不同竖向承载力下的滞回曲线变化较大，随着竖向承载力的增大，相同加载频率和水平位移下的最大水平反力增大，支座的滞回耗能能力略有增大趋势。因此抗拔型摩擦摆支座的滞回耗能能力与加载频率、竖向承载力的关系较小。

图4　不同加载频率下滞回曲线对比

图5　不同竖向承载力下滞回曲线对比

2.2.2竖向力学特性

通过竖向力学抗拔性能测试，单个抗拔块的竖向抗拔力可达180 kN，故整个支座的抗拔装置(由4个抗拔块组成)的竖向抗拔力为720 kN，基本达到了设计要求。抗拔型摩擦摆通过抗拔块产生弹塑性变形，既实现了竖向阻尼耗能，又给主体摩擦摆支座提供了竖向拉拔力。

2.2.3试验结果对比分析

为了验证试验结果与理论分析结果的一致性，分析了不同竖向承载力和不同加载频率下试验工况和理论工况下的滞回曲线。在竖向承载力工况中，竖向承载力分别为3 000，4 000 kN，水平位移为±100 mm，加载频率为0.1 Hz;在加载频率工况中，加载频率分别为0.05，0.10 Hz，水平位移为±100 mm，竖向承载力为4 000 kN。

根据理论分析结果、模拟结果及试验结果，抗拔型摩擦摆支座在不同竖向承载力、不同加载频率条件下的滞回曲线分别见图6、图7。由图可知，滞回曲线稳定饱满，表现出良好的滞回耗能能力，且理论值、模拟值、试验值3者比较吻合，验证了理论力学模型的正确性和模拟结果的准确性。

图6　不同竖向承载力下试验值、理论值及模拟值对比

图7　不同加载频率下试验值、理论值及模拟值对比

3　结论

1)抗拔型摩擦摆支座具有良好的滞回阻尼耗能作用。在相同水平位移和竖向承载力作用下，随着加载频率的增大，支座的最大水平反力变化不大。在加载频率和水平位移相同时，随着竖向承载力的增大，支座的最大水平反力增大。

2)该支座同时具有良好的竖向阻尼耗能作用。通过抗拔块产生弹塑性变形，既给主体支座提供了附加阻尼耗能功能，又提供了竖向抗拔力，从而解决了支座的受拉问题。

3)通过对比分析试验结果与理论分析结果，发现试验值与理论值、模拟值吻合较好，验证了支座力学模型的合理性。

［1］张永亮，张跃进，王常峰．竖向地震动对摩擦摆支座隔震桥梁地震反应的影响［J］．兰州交通大学学报，2012，31(1):18-22．

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［3］FADI F，CONSTANTINOU M C．Evaluation of Simplified Methods of Analysis for Structures with Triple Friction Pendulum Isolators［J］．Earthquake Engineering＆Structural Dynamics，2010，39(1):5-22．

［4］冷新云，夏俊勇，郭红峰，等．摩擦摆支座结构设计及验证［J］．铁道建筑，2013(5):45-48．

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［7］高康，袁万城．拉索摩擦摆支座在曲线桥梁中的抗震分析［J］．地震工程与工程振动，2014，34(3):41-46．

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［12］庄军生．桥梁减震、隔震支座和装置［M］．北京:中国铁道出版社，2012．

(责任审编 郑冰)

Experimental Study on Mechanical Performance of Uplift-resistance-type Friction Pendulum Bearing

WANG Weiqiang，CAO Zhifeng，BU Jiling，CHENG Haitao
(Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China)

A new type of up lift resistance friction pendulum bearing(URT FPB)was designed，and the mechanical performance of which was studied．T he hysteretic model was verified by experiments，including the horizontal and vertical mechanical perform ance of the bearing．The effects of vertical bearing capacity and loading frequency on the hysteretic dam ping energy dissipation were studied．The results show that the test results of the URT FPB are in good agreem ent with theoretical analysis，which verifie the reasonability of the hysteretic model．URT FPB has a good hysteretic dam ping energy dissipation and vertical damping energy dissipation，at the same time，the vertical uplift resistance function of the bearing is verified．

U plift resistance;Friction pendulum bearing;H ysteretic model;M echanical perform ance;Effective friction coefficient

TU317;U443．36

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．10

1003-1995(2016)11-0038-04

2016-07-04;

2016-09-23

王伟强(1986—)，男，工程师，硕士。