摩擦摆减隔震支座在市政桥梁中的应用

于增明，郑明万

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250101）

摩擦摆减隔震支座在市政桥梁中的应用

于增明，郑明万

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250101）

简要介绍了目前常用的几种减隔震支座，并阐述了摩擦摆减隔震支座的优势特点及工作原理。通过对某座市政桥梁的的抗震分析计算，对摩擦摆减隔震支座的减隔震性能进行探讨分析。

摩擦摆；市政桥梁；减隔震；抗震；支座

0 引言

地震严重威胁着人类的生存，如何使结构能够抵御地震是人类面临的重大问题。桥梁支座作为桥梁结构受力的关键部件，有将桥面荷载传递到墩台的作用，并且要适应活载、温度、混凝土收缩等外部作用的变化。减隔震支座不仅仅是作为桥梁结构受力的传力部件，同时还需要具有一定的耗能作用，以减轻地震对桥梁下部结构的冲击，具有良好的自恢复能力，且具有较好的经济性及先进性，目前已被广泛的应用在桥梁设计中[1-3]。

1 目前常用的减隔震支座

1.1 摩擦摆减隔震支座

摩擦摆减隔震支座是利用钟摆原理实现减隔震功能的支座，通过滑动界面摩擦消耗地震能量实现减震功能，通过球面摆动延长梁体运动周期实现隔震功能。摩擦摆隔震装置在1985年由美国的Zayas等人提出，同年摩擦摆支座（FPB）由美国EPS公司发明，见图1。

图1 摩擦摆减隔震支座构造图

摩擦摆减隔震支座的特点如下：（1）在桥梁正常运行时，摩擦摆减隔震支座具有与普通支座相同的功能；（2）在地震来临时，摩擦摆减隔震支座剪力螺栓剪断，通过圆弧面之间的相对滑动，利用钟摆原理，重力做功，实现将地震动能转化为势能，实现了阻尼的功效；（3）摩擦摆减隔震支座可有效延长结构自振周期，避免桥梁下部墩柱在地震作用下的塑性破坏；（4）摩擦摆减隔震支座具有震后在上部结构自重作用下可实现自恢复的优点；（5）地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成双线性滞回模型。

1.2 HDR高阻尼隔震橡胶支座

HDR高阻尼橡胶支座是采用高阻尼橡胶材料与钢板等结构件硫化而成的一种橡胶支座，具备良好的阻尼性能。高阻尼橡胶支座既可以保持叠层橡胶支座所具有的良好力学特性，同时具有较高的阻尼值，在地震中可以有效地吸收地震能量、减轻地震响应。

1.3 铅芯隔震橡胶支座

铅芯隔震橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上，中心放入铅棒，以改善橡胶支座的阻尼性能的一种支座。铅芯支座承受结构物的重力及水平力，使铅芯产生滞后阻尼的塑性变形，吸收能量，并通过橡胶提供水平恢复力。

1.4 常用减隔震支座的优缺点分析

常用减隔震支座对比见表1。

从表1可以看出，摩擦摆减隔震支座相对于HDR高阻尼橡胶支座及铅芯隔震橡胶支座具有耐久性更好，位移能力更大且承载力更高的特点，同时能够使地震力得到有效降低，减少工程造价，是一种具有良好力学性能的隔震装置。

表1 常用减隔震支座对比表

2 摩擦摆减隔震支座在市政桥梁中的应用

2.1 摩擦摆减隔震支座的工作原理

摩擦摆减隔震支座受到的地震作用较小时，依靠上部自重与桥梁之间的静摩擦力，来充分保障桥梁的稳定性，当受到的地震力较大时，支座按照一定的周期发生滑动，是桥梁上部结构受到的地震作用力不再向下部结构传递，因此，摩擦摆减隔震支座的周期其中，g表示重力加速度；R为滑动面的半径。

摩擦摆减隔震支座的隔震消能原理是通过设计滑动面使桥梁结构的震动周期得到延长，从而使桥梁结构受到地震作用影响而产生的放大效应得到大大减少，通过支座滑动面与滑块之间产生的摩擦，实现隔震消能的目的，而刚度和周期控制可以通过选择适合的滑动表面曲线半径来实现。同时，摩擦摆隔震的圆弧滑动面能够使摩擦摆减隔震支座的位移得到有效控制，从而能够在收到地震作用后恢复原位。以摩擦摆减隔震支座的减隔震作用原理为依据，可以按照荷载-位移滞回曲线模型来模拟其力学性能，见图2。

图2 摩擦摆减隔震支座荷载-位移滞回曲线

在图 2 中，Ki表示初始刚度，Ki= μW/Dy，其中μ为动摩擦系数；一般取0.05，W为竖向荷载，Dy为屈服位移；Kfps为屈服后刚度，Kfps=W/R，R为曲率半径；Keff为支座的等效刚度，Keff=W/R+μW/D，D为极限位移。

2.2 摩擦摆减隔震支座在一座市政桥梁中的应用及分析

乌鲁木齐市红光山现状路上跨喀什路桥梁，该桥位于直线上，与喀什路斜交，斜交角度为77°，斜桥正做，桥梁全宽12.5 m，全长40 m+60 m+40 m。上部结构采用预应力钢筋混凝土连续梁，横断面采用单箱双室，梁高采用二次抛物线变化曲线，桥墩支点处梁高3.6 m，跨中及桥台支点处梁高2.0 m。采用矩形双柱式桥墩，桥墩柱截面尺寸为 2 m×2 m，钻孔灌注桩基础，见图3。

图3 喀什路东延跨线桥立面图（单位：cm）

该桥相关技术标准如下：（1）汽车荷载：城-B级,人群作用集度为 4.0 kN/m2；（2）设计基准期：100 a；（3）设计安全等级：一级；（4）结构重要性系数：1.1；（5）环境类别：Ⅱ类；（6）地震基本烈度为 8度，地震动加速度峰值：0.2 g，特征周期值为0.4 s，抗震设防分类为丙类，抗震设计方法为A类。

桥梁采用摩擦摆式减隔震支座，桥墩采用的支座类型有JZQZ-15000/1500-SX-Z50/H40-e320-4.2s，JZQZ-15000/1500-DX-Z50-e320-4.2s，JZQZ15000/1500-GD-e320-4.2s；桥台支座 JZQZ-4000/400-SX-Z50/H40-e320-4.2s，ZQZ-4000/400-DX-H40-e320-4.2s。

该桥桥型为连续梁桥，采用MIDAS建模时主梁采用变截面组的形式来模拟变截面主梁；桥面铺装等二期恒载以集中力的形式施加于主梁各结点，在分析时将这些荷载转化为质量，根据计算，桥梁自振周期及频率见表2。

表2 桥梁自振周期及频率表

本次计算分析时输入两条规范反应谱人工合成地震动（WAVE-1、WAVE-2）与一条强震记录（WAVE-3），根据计算结果，采用摩擦摆减隔震支座后，桥墩处于弹性状态，在E2地震作用下，在最不利的地震波作用下，墩柱底部强度验算：

E2:1号墩墩底 rNd=20 403 kN

2号墩墩底 rNd=20 387 kN

若采用普通球型钢支座时，将墩底弯矩及剪力与采用摩擦摆减隔震支座时的结果进行对比，利用隔震率来表示摩擦摆支座的隔震效果，隔震率=（普通支座-摩擦摆减隔震支座）/普通支座×100%。

顺桥向的摩擦摆支座隔震效果见表3，横桥向的摩擦摆支座隔震效果见表4。

表3 1号墩顺桥向隔震效果

表4 1号墩横桥向隔震效果

由表3、表4可以看出，隔震前后3条输入地震动作用下的地震反应离散性较大。摩擦摆支座隔震方案能有效地减小墩底弯矩及墩底剪力，隔震效果显著。墩底弯矩顺桥向的隔震率在50%～76%之间，墩底剪力的隔震率在51%～71%之间。横桥向墩底弯矩的隔震率在为70%，墩底剪力的隔震率为67%。

4 结语

随着市政桥梁及桥梁减隔震理论的发展，对高震区市政桥梁抗震性能的要求越来越高，摩擦板减隔震支座在桥梁正常运行时，具有与普通支座相同的功能，同时克服了纯摩擦隔震系统不能复位的缺点，使得滑块能够在特有的圆弧滑动面上进行类摆式滑动，对地震激励频率范围具有较高的稳定性和较低的敏感性，自我限位、复位能力，还有优良的隔震消能效果；其隔震周期只与隔震系统的圆弧半径有关，与上部结构的自身、运动的范围无关；并且系统的关联性相当好。

在高震区市政桥梁中采用摩擦摆减隔震支座，有效延长了结构自振周期，采用减隔震设计，通过调整结构截面尺寸及配筋，保证下部结构在E1、E2地震作用下均处于弹性范围，保证了桥梁结构的安全、可靠，同时有效的降低了工程造价，且桥梁目前运营状况良好。

[1]郭俊伟.摩擦摆减隔震支座在高烈度区高架桥的减震效果分析[J].城市道桥与防洪,2013(4):187-190.

[2]蔡正.两种减隔震支座性能对比研究[J].都市快轨交通,2016,29(4):98-101.

[3]马颖.减震桥梁与非减震桥梁的对比分析[D].陕西西安:长安大学,2011.

U443.36

B

1009-7716（2017）10-0075-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.021

2017-05-28

于增明（1983-），男，山东潍坊人，高级工程师，从事道桥工程设计工作。