两种减隔震支座性能对比研究

蔡 正

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)



两种减隔震支座性能对比研究

蔡 正

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)

通过对摩擦摆支座及弹塑性钢阻尼支座两种不同类型的减隔震支座的抗震性能进行对比，选择适合项目要求的支座类型。对比结果表明：两种减隔震支座均能够有效延长桥梁结构自振周期，支座横向刚度较小的摩擦摆支座更有利于周期的延长，同时产生的墩顶剪力也较小；对于墩底截面及基顶截面的弯矩和剪力，在墩高较低时横向刚度小的摩擦摆支座减隔震性能较好，而墩高大于20 m时，横向刚度大的弹塑性钢阻尼支座更有优势。

桥梁；减隔震支座；时程分析；弹塑性钢阻尼支座；摩擦摆支座

随着国家经济实力和技术能力的不断提高，基础建设的标准也随之不断改进。在桥梁建设领域，在原有公路、铁路抗震设计规范之后，相继有《城市桥梁抗震设计规范》、《城市轨道交通结构抗震设计规范》等发布，抗震设防水准也逐渐改进为三水准设防、两阶段设计，抗震设计日益成为桥梁设计中的重点，其中采用减隔震支座是实现桥梁抗震性能目标的重要手段[1- 4]。

我国常用的减隔震支座有抗震型盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等，近年来双曲面球型支座、黏滞阻尼型支座、各类弹塑性钢支座等新型支座也为桥梁工程提供了新的选择，其中铅芯橡胶支座及高阻尼橡胶支座的横向位移难以控制，轨道交通工程较少采用，而黏滞阻尼型支座成本较高，一般应用于较大吨位的重要桥梁。由于减隔震支座成本高、技术复杂，以往常用于跨度较大且具有重要意义的桥梁，目前大规模使用减隔震支座的轨道交通工程在国内比较少见，可以借鉴的工程实例不多[5-8]。

西安北至机场城际轨道交通项目场址位于8度地震区，是连接西安咸阳国际机场、铁路北客站两大区域交通枢纽的快捷通道，对震后人员及物资运输意义重大，对桥梁抗震性能特别是震后能够快速恢复运营提出了较高要求。为了达到不需修复或经简单修复即可立即使用的抗震目标，必须保护难以修复的钢筋混凝土桥墩及基础，设计采用减隔震支座作为桥梁的主要抗震措施，而选取合适的减隔震支座对于桥梁的抗震设计起着关键作用。本项目将减隔震支座应用于全线桥梁结构，特别是在常规简支梁结构上的大规模采用在国内很少见，为轨道交通抗震设计提供了工程样本，也为类似工程的设计提供了借鉴及参考。

由于西安北至机场城际轨道交通项目大部分桥梁结构是30 m预应力混凝土简支小箱梁，因此着重对该梁使用的1 500 kN支座进行比选，参与比选的一种为某型号的摩擦摆减隔震支座，另一种为某型号的弹塑性钢阻尼支座。

1 减隔震支座工作机理

单墩力学模型可以简化为桥墩及梁部集中质量(见图1)，无减隔震措施的系统其质量、刚度、阻尼分别是M1、K1、C1；设置减隔震措施的系统其质量、刚度、阻尼分别是M2、K2、C2，由于采取减隔震措施的刚度远小于桥墩刚度，因此系统发生的主要是剪切变形。

图1 单墩力学简化模型

设ξ1、ξ2为减隔震前后的阻尼比，则结构减隔震前后的振动周期比为

可见，减小系统刚度及增大阻尼比均可以延长系统的自振周期，降低桥梁地震效应，桥梁减隔震技术即是通过减小支座刚度及增加阻尼达到减隔震目的。

2 减隔震支座的主要类型

目前，桥梁减隔震支座主要分为两大类：一类设置有滑动摩擦面，地震时通过滑移延长桥梁的自振周期，降低桥梁地震效应，同时在滑动过程中通过摩擦及其他形式的能量转化耗散地震能量，从而达到减隔震的效果。代表性的产品是摩擦摆支座、四氟乙烯滑动支座等；另一类通过自身的材料或构造特性产生变形，不仅可降低桥梁地震效应，而且能提供更有效的耗能机制，耗散地震产生的能量，从而起到减轻地震对结构的破坏程度，代表性的产品是铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座以及各种弹塑性钢阻尼装置等。

3 所选取的两种支座参数

减隔震支座有2个重要指标[9-11]：结构最大加速度反应及支座最大位移。前者反应了减震效果，主要体现在梁部施加在墩顶水平力的大小，后者反映了结构需负担的变形。

本项目简支梁采用的支座规格为1 500 kN，为避免梁缝过大造成桥面结构成本增加及墩顶构造尺寸加大，结合以往工程经验，将支座地震最大位移控制在100 mm以内。拟采用的减隔震支座一种为摩擦摆减隔震支座(以下简称“摩擦摆支座”)，另一种为某型号以弹塑性钢阻尼作为耗能材料的钢支座(以下简称“钢耗能支座”)，两种支座滞回曲线见图2。

图2 荷载位移滞回曲线

由于构造的特点，摩擦摆支座容易使支座位移量较大，本次选取的支座最大位移量为100 mm，其初始刚度较小，滞回曲线比较狭长，优点是震后支座易回位，缺点是构造复杂，成本高；而钢耗能支座不易取得较大的位移量，本次选取的支座最大位移量为65 mm，其初始刚度大，滞回曲线比较饱满，优点是构造简单、成本较低，缺点是震后不易回位。

4 结构分析模型及地震激励

本项目桥梁标准结构体系采用30 m预应力混凝土简支小箱梁，下部结构采用花瓶式桥墩、钻孔灌注桩基础。桥墩墩高最高为26 m，桥墩线刚度见表1。

表1 桥墩线刚度

场址位于地震8度区，多遇地震峰值加速度为0.07 g，设计地震峰值加速度为0.20 g，罕遇地震峰值加速度为0.38 g，场地类别为一区Ⅱ类，反应谱特征周期0.35 s。计算模型采用Midas/civil有限元软件进行模拟，将桩基等效为弹簧，考虑相邻简支梁的影响，在多遇地震作用下，对简支梁按反应谱法计算；在罕遇地震作用下，对简支梁按非线性时程反应分析法计算，计算模型见图3。

图3 计算模型

《地震安全评价报告》根据桥址场地条件，考虑相位随机性影响生成了3条具有随机相位的人工地震波，进行罕遇地震桥梁结构地震响应分析时作为地震动输入，图4所示为其中1条。

图4 第1条地震波时程曲线

5 计算结果及分析

通过不同桥墩高度下桥梁自振周期、桥墩剪力及弯矩等项目的计算结果，对两种支座的性能进行比较分析。

1) 将采用两种减隔震的桥墩与采用普通支座桥墩的自振周期进行对比。为控制桥墩种类，桥墩按照墩高选定几种结构尺寸，所以桥墩线刚度随墩高出现反复变化，桥墩线刚度及桥梁自振周期对比见图5、6，此处桥墩线刚度单位采用1×106N/cm。从计算结果可以看到，随着桥墩线刚度增大，桥梁自振周期减小，反之亦然，所以采用3种支座的桥梁自振周期均出现了相应的变化，并在后面剪力及弯矩的计算结果中也有类似的趋势。计算结果表明，两种减隔震支座均能够有效延长桥梁的自振周期，比采用普通支座的桥梁曲线平滑，桥梁高度的变化对周期的影响不大，其中摩擦摆支座由于刚度小，对延长桥梁自振周期的效果更好。

图5 纵向自振周期对比

图6 横向自振周期对比

2) 对比地震时墩顶、墩底的剪力，见图7、8，两种减隔震支座的墩顶剪力随墩高的增加变化较为平缓，但高16 m的桥墩剪力突然增大，明显反映了线刚度对剪力的影响。采用摩擦摆支座的桥墩墩顶剪力明显较小；而桥墩的墩底剪力则变化较大，15 m高以下的桥墩墩底剪力变化幅度较小，采用钢耗能支座的桥墩墩底剪力较大，而高15～26 m的桥墩墩底剪力变化幅度明显增大，并且采用摩擦摆支座的桥墩墩底剪力增加得更快，超过了钢耗能支座。

图7 纵向剪力对比

图8 横向剪力对比

3) 墩底弯矩的变化趋势与墩底剪力基本类似，见图9、10，但弯矩主要随墩高变化，桥墩线刚度对墩底弯矩的影响不明显。墩高在20 m以下时，采用钢耗能支座的桥墩墩底弯矩较大；墩高在20 m以上时，采用摩擦摆支座的桥墩墩底弯矩更大。出现这种情况的原因除了钢耗能支座能够更好地吸收能量外，主要是横向刚度小的摩擦摆支座对墩顶产生的约束小，但是此时桥墩的自振周期更接近桥梁结构固有的振动周期，对于自重大、自振周期较长的高墩，摩擦摆支座的减震效能下降得明显。

图9 纵向弯矩对比

图10 横向弯矩对比

6 结论

1) 两种减隔震支座均能够有效地延长桥梁的自振周期，横向刚度较小的摩擦摆支座更有利于周期的延长，同时产生的墩顶剪力也较小，并且周期的变化趋势与桥墩线刚度的变化趋势相反。

2) 采用普通支座的桥梁自振周期随墩高变化明显，而采用减隔震支座的桥梁自振周期则比较接近，因此采用减隔震支座时各墩梁振动趋于同向，有利于控制梁缝宽度。

3) 对于桥墩及基础设计，需要控制墩底截面及基顶截面的弯矩和剪力，在墩高较低时横向刚度小的摩擦摆支座减隔震性能较好，而墩高大于20 m时，横向刚度大的钢耗能支座更有优势。

4) 经过计算对比表明，横向刚度更小的摩擦摆支座在桥墩较低时减隔震性能较优，鉴于本项目大部分桥墩墩高不超过20 m，并且摩擦摆支座震后恢复较为方便，本项目桥梁减隔震设计采用了 摩 擦 摆支座。

[1] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.铁路工程抗震设计规范：GB 50111—2006[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2] 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计细则：JTG/TB 02—01—2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 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，2011.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.城市轨道交通结构抗震设计规范：GB 50909—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[5] 刘享.铅芯橡胶支座简支梁桥减隔震控制[D].北京：北京交通大学，2006.

[6] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

[7] 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.

[8] 焦驰宇，李建中.桥梁新型减隔震支座的研究进展[J].结构工程师，2007，23(6)：83-87.

[9] 王丽，闫维明，阎贵平.铅芯橡胶支座参数对隔震桥梁动力响应的影响[J].北京工业大学学报，2001，30(9)：304-308.

[10] 张常勇，钟铁毅，季文刚.铁路连续梁桥横向减隔震支座参数研究[J].中国铁道科学，2011，32(4)：19-22.[11] 顾正伟，钟铁毅，张贞阁.双曲面球型减隔震支座曲线连续梁桥的减隔震[J].中国铁道科学，2011，32(3)：47-50.

(编辑：郝京红)

Comparative Research on Seismic Performance of Two Types of Isolators

Cai Zheng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi′an 710043)

Through comparative research on the seismic performance of the two different types of bearing-friction pendulum bearing and elastoplastic steel damping bearing, the reasonable type of bearing for the project is selected. Comparative results show that: the two isolation bearing are both able to effectively extend the bridge structure vibration period; the friction pendulum bearing with smaller lateral rigidity is more conducive to extend the period, while producing less top-of-the-pier shear force; for the cross-sectional bending square and shear forces of pier bottom and the top, in lower pier, the friction pendulum bearing with smaller lateral rigidity shows better performance, while when the pier reaches above 20 meters in height, the elastoplastic damping steel bearingwith greater lateral stiffness has more advantages.

bridge; the bearing of shock absorption and vibration isolation; time-history response analysis; elastoplastic steel damping bearing; friction pendulum bearing

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.022

2015-10-22

2016-01-02

蔡正，男，本科，高级工程师，从事桥梁设计工作，1010456891@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)04-0098-04