摩擦摆支座参数对桥梁结构地震响应的影响

廖　　平，贾　　毅，赵人达，王永宝

（西南交通大学 土木工程学院，四川 成都　　610031）

摩擦摆支座参数对桥梁结构地震响应的影响

廖平，贾毅，赵人达，王永宝

（西南交通大学 土木工程学院，四川 成都610031）

为研究带栓钉的摩擦摆支座不同支座参数和瑞利阻尼对桥梁结构地震响应的影响，采用ANSYS建立有限元模型，基于时程分析法对比分析这些参数下桥梁结构的地震响应。分析结果表明:瑞利阻尼系数对桥梁结构的地震响应有显著的影响，随着参考振型阶数的增加，除主梁梁体位移外其余地震响应均逐渐增加；随着摩擦摆支座屈服位移、摩擦系数的增加，固定墩纵桥向剪力、弯矩、墩顶纵向位移均不断增大，梁体纵向位移逐渐减小，而对固定支座纵向位移的影响较小；随着摩擦摆支座半径的增加，梁体纵向位移、墩顶纵向位移、固定支座纵向位移逐渐增大，对固定墩纵桥向剪力、弯矩影响较小。

桥梁结构；摩擦摆支座；瑞利阻尼；时程分析法；地震响应

简支梁桥的抗震设计理念可分为延性抗震体系和减隔震抗震体系，延性抗震是通过结构的塑性变形来消耗地震能量，以达到延长结构自振周期、减小结构地震破坏的目的［1］；减隔震则是采用减隔震构件或装置来增大桥梁的阻尼比和减小输入主体结构的地震能量，从而减小结构的地震响应［2-3］。目前摩擦摆支座已在公路和铁路桥梁中广泛应用，在正常使用荷载或常遇地震作用下，可以依靠摩擦来抵抗汽车或列车制动力，当制动力较大时，仅依靠摩擦力将不能抵抗，常常在摩擦摆支座中增设栓钉来抵抗较大的制动力，而在罕遇地震作用下可通过栓钉剪断、摩擦摆支座往复运动摩擦来消耗地震能量［4-6］。

针对带栓钉的摩擦摆支座的桥梁结构地震响应研究相对较少，本文主要针对不同的摩擦摆支座参数如摩擦系数、屈服位移、曲率半径对桥梁结构的地震响应的影响进行研究，分析这些参数与摩擦支座的位移、墩底剪力弯矩、墩顶位移、梁体位移等变化的关系，为支座的优化设计和桥梁结构抗震分析提供一定的理论依据。

1　工程背景

某预应力混凝土简支箱梁桥标准跨径30 m，墩高均为20 m，桥面宽度12.5 m，采用10 cm沥青混凝土桥面铺装。桥墩上下两端部2.5 m范围内采用实心截面，中间采用空心截面，主梁采用单箱单室箱形截面，主梁采用C55混凝土，桥墩采用C40混凝土。桥梁抗震设防烈度为7度，场地特征周期为0.4 s，场地类别为Ⅱ类场地。墩梁连接采用带栓钉的双曲面摩擦摆式支座，活动支座在横桥向设置有抗剪栓钉，固定支座在横桥向与纵桥向均设置有抗剪栓钉，假定栓钉的抗力为200 kN。在下文的计算分析中均考虑摩擦摆支座栓钉被剪断的情形。在墩底采用固定约束，每个桥墩顶部采用2个支座与主梁连接。建模过程中不考虑桩土相互作用和二期恒载的影响，也不考虑相邻跨对桥梁结构的影响。

2　有限元建模及结构自振特性

采用大型通用有限元软件ANSYS建立全桥三维梁单元模型，主梁及桥墩采用Beam188梁单元模拟，将Combin40单元Keyopt取不同的值来模拟摩擦摆支座及栓钉，栓钉剪断失效通过Combin40单元“分离”特性来模拟，并且仅在桥梁结构纵桥向施加El Centro波（将其幅值调整到0.2g）。加速度时程曲线如图1所示。

根据欧洲规范Eurocode8，在单向地震作用下摩擦摆减隔震支座可简化为双线性模型［7］，计算分析所采用的带栓钉摩擦摆固定支座的恢复力模型与文献［8］相同，其滞回曲线如图2所示。其中W表示摩擦摆支座承受的竖向荷载为支座的屈服位移，P为栓钉的抗剪承载力，μ为摩擦摆支座的摩擦系数，分别为摩擦摆支座的初始刚度和屈服后刚度。

对该简支梁桥进行模态分析，提取前4阶模态，并将其自振频率及振型汇总于表1。从表1可以看出，桥墩刚度较小，结构首先出现桥墩纵弯现象。

图1　El Centro地震加速度时程曲线（幅值调整为0.2g）

图2　带栓钉的摩擦摆支座恢复力模型

表1　桥梁前4阶自振频率及振型

3　瑞利阻尼不同计算模式的影响

结构动力学计算瑞利阻尼的方法，通常是选取结构的基频及对结构动力响应有显著贡献的高阶振型。为分析瑞利阻尼不同计算模式对桥梁结构的地震响应的影响，在分析中选取的参考振型如表2所示。不同瑞利阻尼系数下桥梁结构地震响应的有限元计算结果汇总于表3。

表2　　瑞利阻尼的不同计算模式

表3　不同瑞利阻尼系数下的桥梁地震响应纵桥向计算结果

从表3可以看出，瑞利阻尼系数计算所参考的振型不同，对桥梁结构的地震响应有显著的影响，随着参考振型阶数的增加，除主梁梁体位移外其余地震响应均逐渐增大。

4　摩擦摆支座参数的影响分析

从表1可以看出结构固定支座桥墩首先出现了纵弯现象，因此本文以下进行摩擦摆支座参数对桥梁结构的地震响应的影响分析时，主要针对固定支座位移、梁体位移、固定墩墩顶位移与弯矩、剪力进行对比分析。

图3—图6展示了摩擦摆支座摩擦系数为0.04、支座半径为3.6 m、屈服位移为0.5 mm时桥梁结构的地震响应。梁体位移是指梁端位移。

图3　带栓钉的摩擦摆支座的滞回曲线

根据带栓钉的摩擦摆支座恢复力模型和恢复力模型中初始刚度、等效刚度、等效阻尼、屈服刚度等计算公式可知，支座摩擦系数、支座半径均对恢复力模型有直接影响，但屈服位移与支座滑移力密切相关，这些均会对桥梁结构的地震响应产生一定的影响。下文将分析这些因素的影响，以下各图中的梁体节点位移是指梁端位移。

图4　固定支座桥墩剪力时程曲线

图5　固定支座桥墩弯矩时程曲线

图6　桥梁位移响应时程曲线

4.1摩擦系数的影响（表4及图7）

表4　不同摩擦系数下固定支座桥墩纵桥向地震响应

图7　摩擦摆支座摩擦系数与桥梁位移响应变化曲线

从表4可以看出，随着摩擦摆支座摩擦系数的增加，固定支座桥墩纵桥向剪力、弯矩均不断增大。从图7可以看出，随着摩擦摆支座摩擦系数的增加，梁体纵向位移逐渐减小，墩顶纵向位移逐渐增大，而对固定支座位移的影响较小，变化幅度最大为7.56%。

4.2屈服位移的影响（表5及图8）

表5　不同屈服位移下固定支座桥墩纵桥向地震响应

图8　摩擦摆支座屈服位移与桥梁位移响应变化曲线

从表5可以看出，随着摩擦摆支座屈服位移的增加，固定支座桥墩纵桥向剪力、弯矩均不断增大。从图8可以看出，随着摩擦摆支座屈服位移的增加，梁体纵向位移逐渐减小，墩顶纵向位移逐渐增大，而对固定支座位移的影响较小，变化幅度最大为7.52%。

4.3支座半径的影响（表6及图9）

从表6可以看出，随着摩擦摆支座半径的增加，对固定支座桥墩纵桥向剪力、弯矩影响较小，剪力、弯矩变化幅度最大分别为4.05%，2.28%。从图9可以看出，随着摩擦摆支座半径的增加，梁体纵向位移、墩顶纵向位移、固定支座位移逐渐增大。

表6　不同支座半径下固定支座桥墩纵桥向地震响应

5　结论

根据不同摩擦摆支座参数和不同瑞利阻尼系数下桥梁结构地震响应的比较分析，可得出以下结论：

1）瑞利阻尼系数对桥梁结构的地震响应有显著的影响，随着参考振型阶数的增加，除主梁梁体位移外其余地震响应均逐渐增大。

2）随着摩擦摆支座屈服位移、摩擦系数的增加，固定支座桥墩纵桥向剪力、弯矩、墩顶纵向位移均不断增大，梁体纵向位移逐渐减小，而对固定支座位移的影响不大。

3）随着摩擦摆支座半径的增加，梁体纵向位移、墩顶纵向位移、固定支座位移逐渐增大，对固定支座桥墩纵桥向剪力、弯矩影响较小。

［1］叶爱君，管仲国.桥梁抗震［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］范立础，李建中.汶川大地震震害分析与抗震设计对策［J］.公路，2009（5）：122-128.

［3］范立础.桥梁减隔震设计［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］彭天波，李建中，范立础.双曲面球型减隔震支座的竖向位移分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2007，35（9）：1181-1185.

［5］王伟强，陈彦北，卜继玲，等.摩擦摆支座抗拔设计及有限元分析［J］.铁道建筑，2015（11）：37-39.

［6］夏修身，陈兴冲.铁路高墩桥梁基底转动隔震与墩顶减震的效果对比研究［J］.铁道学报，2011，33（9）：102-107.

［7］British Standards Institution.BS EN 1998-2Eurocode 8：Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 2：Bridges ［S］.London：British Standards Institution，2005.

［8］夏修身，陈兴冲，王希慧，等.剪力键对隔震桥梁地震反应的影响［J］.地震工程与工程振动，2012，32（6）：104-109.

（责任审编孟庆伶）

Influence of Friction Pendulum Bearing Parameters on Seismic Response of Bridge Structure

LIAO Ping，JIA Yi，ZHAO Renda，WANG Yongbao
（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

In order to study the effect of different parameters of friction pendulum bearing with studs and Rayleigh damping on seismic response of bridge structures，a finite element model was established with ANSYS and the seismic response was studied based on time history analysis method.Analysis results show that the Rayleigh damping coefficient has a great influence on bridge structure seismic response.W ith the increase of the order of vibration mode shape，the seismic response increases except the girder deflection.W ith the increase of yielding displacement and friction coefficient of friction pendulum bearing，the longitudinal shear，moment and longitudinal pier top displacement of the fixed piers increase while girder longitudinal displacement decreases and the effect on longitudinal displacement at fixed bearings is little.As the radius of friction pendulum bearing increases，the longitudinal displacement of girders，pier top and fixed bearing gradually increase，and it slightly affects the longitudinal shear and moment of fixed piers.

Bridge structure；Friction pendulum bearing；Rayleigh damping；T ime history analysis method；Seismic response

廖平（1989— ），男，博士研究生。

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.06

1003-1995（2016）07-0022-04

2016-03-06；

2016-04-12

广东省交通厅科技计划（CZ（201507）YS1-002）