串联式变刚度摩擦摆支座设计与验证

摘 要：为使支座适应减隔震桥梁在日常使用、多遇地震以及罕遇地震等多种工况的不同需求，本文对国内外的减隔震技术进行分析，将滑动摩擦、单摆运动以及橡胶剪切阻尼结构进行有机结合，使支座在不同工况下具有不同的水平刚度，实现相应的减隔震效果。通过结构理论设计、实体减隔震性能试验以及有限元分析，验证了该新型支座的减隔震性能和承载性能符合预期，其力学行为可控，实现了不同工况中隔震效果的协调性，避免了过大的位移反应给桥梁设计、施工造成的不利影响。

关键词：桥梁工程；减隔震支座；变刚度；行为可控

中图分类号：TU 69 " " " " 文献标志码：A

自从汶川大地震以来，我国对桥梁及建筑减震进行深入研究，目前，主要采用减、隔震的设计理念。减、隔震设计的基本原理是延长结构的震动周期以隔离地震能量并通过减震装置增加阻尼、吸收自下而上传递的部分地震能量以降低结构的地震反应，减轻地震损伤。当结构的震动周期延长时，可以使结构避开地震中幅值比较显著的分量，能避免共振现象的发生，减少结构的地震反应，但延长结构周期会增加结构的位移反应。国内相关减隔震装置规范对不同工况的装置性能考虑不够周全，有必要结合不同的功能需求，研发一款适应多工况的变刚度减隔震支座。

1 支座构造设计

1.1 国内外技术情况

日本《道路桥示方书·同解说：耐震设计篇》[1]倾向于将地震作用同时分布在桥梁各墩台，并通过支座的阻尼效果耗散地震能量，以避免结构之间留有较大的隔震缝隙，降低伸缩缝的设计选型难度。

美国Guide Specifications for Seismic Isolation Design[2]采用上下限的方法计算减隔震桥梁的反应情况，通过取用不同的修正系数分别计算得到最大地震力作用和最大位移量。

我国《公路桥梁抗震设计细则》[3]介绍了减隔震装置的性能要求和抗震验算，中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《城市桥梁抗震设计规范》[4]补充规定“地震基本烈度为6度及以上地区的城市桥梁，必须进行抗震设计。”目前，国内规范对摩擦摆类减隔震支座[5]的摩擦系数没有参照美标进行上下限分析，支座摩擦系数在不同环境及荷载作用下存在一定差异，对支座的减隔震效果有很大影响。石岩等对国内外隔震抗震相关规范进行详细分析[6]。

1.2 新型支座设计理念

1.2.1 常规支座摩擦性能

在日常使用中，要求支座的滑动摩擦系数低，这样有利于适应梁体的伸缩变形。当地震时，需要的摩擦系数高，这样可以耗散地震能量，这2种工况对摩擦系数的要求迥异。目前，常规的摩擦摆减隔震支座并不能同时适应2种工况要求。

1.2.2 材料摩擦系数

摩擦系数受润滑方式、径向压力、滑动速度、温度以及湿度等方面的影响，不完全可控。

1.2.3 变刚度支座理念

减隔震时支座的偏心的位移量∆以及支座上的竖向荷载P使桥梁墩、台承受附加的偏心弯矩P·∆的作用，即P-∆效应。位移量∆越大，墩、台承受的水平力越小，但是附加的偏心弯矩越大，支座的尺寸和墩、台顶面的尺寸也相应增加，给支座设计及安装带来不便，因此，有必要控制减隔震支座的最大位移反应。基于上述摩擦系数不完全可控、不同工况所需性能不同的问题，提出一种变刚度支座设计理念。该支座日常使用时通过低摩擦系数适应桥梁变形，当地震发生较大位移时，根据橡胶隔震支座的剪切变形效果实现阻尼耗能。日常工作时，支座沿上下支座板凹球面滑动摩擦，多遇地震时单摆结构隔震水平刚度小，罕遇地震位移量到达一定程度时阻尼刚度增加，2种隔震结构串联。串联式变刚度摩擦摆支座是一种具有不同刚度特性、不同减隔震结构的支座，即一种不同工况呈现刚度变化的减隔震支座。

2 支座设计与试验验证

2.1 支座结构及原理

良好的减隔震支座性能是结构隔震设计的关键，隔震设计的目标为多遇地震隔断能量传递、罕遇地震控制隔震层变形和支座内力，而橡胶隔震支座[7]和摩擦滑板支座均只具有逐渐降低或单一的水平刚度特性，难以满足上述内容中不同阶段的刚度需求。因此，设计具有变刚度特性的减隔震支座以适应多遇地震和罕遇地震不同阶段的刚度需求，对实现最优的隔震效果具有十分重要的意义。串联式变刚度摩擦摆支座主要由上下支座板、阻尼球冠板和滑板等组成。当多遇地震时该支座主要靠阻尼球冠板与上、下支座板组成的球面滑动摩擦副摆动以及阻尼橡胶层微小剪切变形共同起到一阶隔震作用，此时支座具有较小的水平刚度；罕遇地震或设计设定目标时，该支座靠阻尼球冠板中的橡胶剪切变形达到二阶隔震作用。此时，支座水平刚度大幅上升，实现了降低隔震层变形和上部结构整体位移的目标。支座不同工况下的运动状态如图1所示。

2.2 减隔震性能设计与试验

为验证串联式变刚度摩擦摆支座的减隔震效果是否符合预期，本研究制作了BSJZ-2.0-g100-R4型支座进行实体试验，该支座设计竖向承载力为2MN，一阶隔震位移量为±75mm，二阶隔震变形量为±25mm，支座总体隔震位移量为±100mm，减隔震等效半径为4m。试验支座的阻尼球冠板结构如图2所示，主要设计参数见表1。

试验设备使用YJW-15000型微机控制电液伺服动态压剪试验机，该设备可提供竖向试验压力1500t、水平动态剪切力200t、水平静态剪切力300t、水平最大位移量±600mm。除内部预设各类支座成品性能试验的操作程序外，还允许用户灵活地自定义程序，可满足目前桥梁及建筑规范常用的竖向荷载、水平剪切变形、支座摩擦系数以及减隔震性能等多种支座的试验需求。

结合《公路桥梁摩擦摆式减隔震支座》[5]（JT/T 852—2013）的试验方法及要求，本次减隔震性能试验中对支座加载试验荷载2000kN，水平位移按d（t）=d（x）·sin（2π·f0·t）（其中f0=v0/（2π·d（x）），v0为加载峰值速度，d（x）为加载幅值）进行正弦波加载，加载幅值按试样设计总体隔震位移量的25%、50%、75%、100%分别施加，该样件的总体隔震位移量为±100mm，每个工况进行3个循环，测定水平力大小，记录剪力-位移曲线。试验在YJW-15000型动态压剪试验机上进行，通过试验得到支座在不同加载幅值工况下的响应状态，加载幅值100%工况对应的剪力-位移曲线如图3所示。

由试验得到的剪力-位移曲线可以看出，支座在加载幅值75%之前具有较稳定的屈后刚度。此阶段主要是阻尼球冠板与上下支座板之间的球面滑动结构发挥作用，伴有阻尼橡胶层的微量剪切变形；加载幅值75%～100%阶段刚度明显增强，此阶段摩擦摆结构的一阶隔震变形量已达到极限，通过阻尼橡胶层的剪切变形实现二阶隔震变形量，二阶隔震阶段展示了较大的水平刚度，有利于在罕遇地震时控制结构的过大位移响应，符合预期效果。

通过图3的剪力-位移曲线可以简单计算得到，支座在一阶隔震阶段的屈后刚度实测值约400kN/m，二阶隔震阶段的刚度约2000kN/m。通过支座参数可计算得到，一阶隔震阶段摩擦摆结构的滑移刚度为500kN/m，支座的水平方向减隔震结构由摩擦摆滑移结构与阻尼橡胶层隔震结构串联组成，因此串联刚度应为1/k=1/k1+1/k2，其中k1为摩擦摆结构滑移刚度，k2为阻尼橡胶层结构刚度，从而可以计算得到阻尼橡胶层结构刚度k2=2000kN/m，与试验结果得到的二阶隔震阶段的橡胶阻尼刚度一致。

2.3 有限元分析

为考查试制样件的受力状态，对试验型号支座BSJZ-2.0-g100-R4进行有限元分析。使用SolidWorks软件对支座各零部件分别建模装配并通过Simulation进行算例分析。需要定义各零件材料属性、设置零部件连结方式、设定约束夹具、施加静力荷载、划分模型网格、运行算例、设置模型各零部件之间为全局接触，接触类型无穿透。对下支座板底平面6个自由度完全固定进行约束，对上支座板顶平面施加2000kN竖向荷载。当划分网格时选择“基于曲率的网格”，基于曲率的网格算法用可变化的单元大小来生成网格，有利于在几何体的细小特征处获得精确的结果，网格最大单元大小为5.62mm，最小单元大小为1.3 mm，雅可比点为4点。有限元分析共分为3种工况，即支座分别在初始位置状态、一阶隔震状态和二阶隔震状态，通过分析得到3种工况下支座的应力云图，如图4所示。

从图4可以看出，除四氟滑板边缘相近位置存在应力集中外，支座整体在各工况下的应力状态均满足承载需求。应力集中主要发生于一阶隔震状态和二阶隔震状态，因支座发生水平变形后阻尼球冠板移动到上下支座板内腔的一侧，而四氟滑板镶嵌在上下支座板中心的凹球面上，且与上下支座板的球面相比外凸，所以四氟滑板与阻尼球冠板上的镜面不锈钢板滑动配合。支座阻尼球冠板移动后，四氟滑板在位移方向一侧的边缘压应力高于其他部位，然而四氟滑板作为一种高分子聚合物，当达到一定压力时材料发生蠕变，有利于缓解支座内部滑板边缘位置的应力集中情况。

3 结语

通过将滑动摩擦、单摆运动和橡胶剪切阻尼多种不同的结构进行有机结合，得到了串联式变刚度摩擦摆支座，实现了减隔震支座在不同工况下的不同性能：1）当日常使用时，支座通过四氟滑板与不锈钢板的滑动适应梁体伸缩变形，该滑动摩擦副具有较小的摩擦系数，日常使用时变形灵活。2）当多遇地震时，支座沿着上下支座板的球面发生摆动，利用单摆原理延长振动周期，隔断地震能量传递。3）当罕遇地震位移反应过大时，通过阻尼橡胶体剪切变形进行阻尼隔震，橡胶体剪切刚度与摆动隔震刚度相比明显提高，有利于控制结构物的位移反应。通过试验和仿真，验证了串联式变刚度摩擦摆支座的减隔震效果和承载性能，该支座模型力学行为可控，证实了其具有很好的环境适应性，解决了现有规范中多工况考虑不周全的问题，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]日本道路协会.道路桥示方书·同解说 V 耐震设计编[S].东京：丸善出版株式会社，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]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计细则：JTG/T B02-01—2008[S].北京：人民交通出版社，2008：46-48.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.城市桥梁抗震设计规范：CJJ 166—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2012：8.

[5]中国公路学会桥梁和结构工程分会.公路桥梁摩擦摆式减隔震支座：JT/T 852—2013[S].北京：人民交通出版社，2013：12.

[6]石岩，王东升，孙治国.中美日桥梁减隔震设计规范的比较研究[J].地震工程与工程振动，2015，35（5）：79-84.

[7]全国橡胶与橡胶制品标准化技术委员会橡胶杂品分会.橡胶支座 第2部分：桥梁隔震橡胶支座：GB/T 20688.2—2006[S].北京：中国标准出版社，2006：7-14.