摩擦摆支座参数变化对简支桥梁隔震效果研究江夏

吴建国

（福建江夏学院，福建 福州 350108）

摩擦摆支座参数变化对简支桥梁隔震效果研究江夏

吴建国

（福建江夏学院，福建 福州 350108）

以某简支梁桥为实际工程背景，以摩擦摆支座的滑动曲面半径及滑动摩擦系数为主要参数。系统研究了摩擦摆隔震支座的两个主要参数的变化对隔震简支桥梁的隔震效果的影响，摩擦系数越大，高速铁路桥梁的隔震效果越好，摩擦摆滑动曲面半径的大小对高速铁路桥梁的隔震效果影响不大。

简支桥梁；隔震；摩擦摆支座；参数变化

我国桥梁正处于高速发展时期，而其中高架桥梁占据了相当大的比例，在遭遇地震灾害时，高架桥梁结构安全性等问题亟待解决[1,2]。因此对处于地震区的桥梁抗震性能的研究具有重要的意义。桥梁隔震作为一种新型抗震技术，在近十几年的研究中不断深入[3-5]。摩擦摆最早是由Zayas提出的一种隔震系统，通过两个曲面的摩擦滑动来实现支座的正常功能，利用钟摆机理延长结构的自振周期，同时通过摆动过程中的摩擦耗能以及势能做功，减少地震力的作用。摩擦摆支座是一种性能更加优良的隔震装置，具有承载能力高、位移能力大、耐久性强、可自动复位等优点，并可以通过改变滑道半径调整隔震周期。我国高速铁路高架桥梁具有自己的特点，因此对摩擦摆支座高架桥梁系统进行理论分析及性能研究很有必要。对摩擦摆隔震支座影响最大的两个参数:一是摩擦摆动曲率半径，二是摩擦摆隔震支座的摩擦系数。本文主要通过摩擦摆隔震支座的这两个参数变化对简支桥隔震效果进行研究。

1 摩擦摆支座的力学模型及基本原理

摩擦摆支座通过摩擦耗能的方式将地震能量转化为热能，并通过单摆式结构实现了位移的自我恢复，既提高了震时的隔震性能，又避免了震后调整工序。摩擦摆支座的力与位移关系如图1所示。

图1 摩擦摆支座的受力图示

摩擦摆支座通过结构自重沿滑动曲面的切线方向的分力提供恢复力，支座的侧向力F为恢复力与摩擦力之和，可表示为：

式中W是结构竖向载荷；D是支座在侧向的位移；R是曲率半径；μ是摩擦系数。于是支座屈后刚度可以通过下式得到：

假定第一自振周期为T1，使用该支座代替原支座后，减隔震结构的第一自振周期为：

T值主要与球心距和原结构周期有关。

2 计算模型及分析方法

某简支桥梁的桥跨6m×32m。本桥地震动峰值加速度为0.3g，地震动反应谱特征周期为0.45s，设防烈度为八度地震区，主梁采用预应力单箱截面，采用单墩柱，墩高均为23.5m，不考虑桩土效应。本文采用有限元程序SAP2000建立全桥有限元模型进行空间地震反应分析，模型中墩承台及主梁各构件均采用空间梁单元模拟。地基及基础对结构的作用根据《城市桥梁抗震设计规范》CJJ166-2011的规定简化成平动及转动弹簧施加于承台底；摩擦摆支座采用专门的非线性连接单元模拟；主梁与墩采用摩擦摆隔震支座相连接。摩擦摆隔震结构是有限元模型中的关键构，其模型正确与否关系到计算结果的准确性。而SAP2000软件中有专门的摩擦摆隔震单元，可选用LINK单元中的Friction Isoltion单元来模拟摩擦摆支座，摩擦摆支座的初始刚度、等效线性刚度、摩擦因数等参数可按照所选用的摩擦摆尺寸进行计算输入。如图2所示为简支桥梁在SAP2000有限元软件中的有限元分析模型。

图2 简支桥梁有限元分析模型

地震波选取。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010与《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006选取输入的地震波，分别选择两条与设计反应谱相容的地震波（EICentro波、天津波），并通过设计反应谱拟合一条人工波，对隔震桥梁进行非线性时程分析。

3 摩擦摆隔震支座曲率半径对简支桥隔震性能影响规律研究

摩擦摆隔震支座竖向设计承载力为5500kN；摩擦摆隔震支座摩擦系数：3%，6%，9%；设计地震动峰值加速度下的支座设计极限位移为；摩擦摆隔震支座的曲率半径：1m，1.5m，2m。

3.1 摩擦摆隔震支座简支桥隔震性能分析

3条地震波依据8度抗震设防标准，调整它们的加速度峰值为0.4m/s2，调整摆支座摩擦系数为6%，调整其曲率半径设计为2m。根据抗震与隔震情况进行动力时程分析，如图3、图4、图5所示，为隔震前后在ELCentro波、天津波、人工波作用下高速铁路桥梁地震响应结果比较。

图3 ELCentro波下主梁加速度响应

图4 天津波下主梁加速度响应

图5 人工波下主梁加速度响应

从以上分析可知，摩擦摆隔震支座对于桥梁的隔震具有显著的效果，通过三种地震波的分析可知，摩擦摆支座隔震率基本上在50%以上。特别是对于天津波作用下隔震简支桥梁的加速度峰值是2m/ s2，非隔震简支桥梁的加速度峰值高达5.5m/s2。

3.2 摩擦摆隔震支座曲率变化对简支桥的隔震性能的影响

摩擦摆隔震支座竖向设计承载力为5500KN，摩擦摆隔震支座摩擦系数6%，摩擦摆隔震支座的曲率半径分别为：1m，1.5m，2m。将3条地震波按照8度抗震设防标准调整加速度峰值为。分别对抗震与隔震高速铁路桥梁进行动力时程分析，如图6、图7、图8所示，为隔震前后高速铁路桥梁地震响应结果比较。

图6 主梁加速度峰值

图7 墩底剪力峰值

图8 主梁位移峰值

从以上分析可知，摩擦摆隔震支座的曲率半径对于桥梁的隔震的效果没有多大的影响。

4 摩擦摆隔震支座摩擦系数对简支桥隔震性能的影响规律

将3条地震波按照8度抗震设防标准调整加速度峰值为0.4m/s2，摩擦摆支座的摩擦系数分别为3%，6%，9%，曲率半径选为2m。分别对抗震与隔震高速铁路桥梁进行动力时程分析，如图9、图10、图11所示，为隔震前后高速铁路桥梁地震响应结果比较。

图9 主梁加速度峰值

图10 墩底剪力峰值

图11 主梁位移峰值

从主梁加速度图可知，摩擦摆摩擦系数的越大，基于摩擦摆简支桥梁的隔震效果越好。墩底剪力图中，总体上可以看出摩擦摆摩擦系数的高低影响简支桥的隔震效果，且系数越高墩底剪力越小隔震效果越差。上图中的主梁位移图中摩擦摆摩擦系数的大小对简支桥梁主梁的位移影响不大。

5 结论

1）使用摩擦摆隔震支座的高速铁路桥梁对高烈度的地震能够起到很好的隔震效果。

2）摩擦摆隔震支座的曲率半径的大小对摩擦摆隔震支座高速铁路桥梁隔震率大小的影响不大。

3）摩擦摆隔震支座的摩擦系数对高速铁路桥梁的隔震效果影响很大，且摩擦系数的越大，隔震效果越好。

[1] 王建强,丁永刚,李大望，等.摩擦摆支座恢复力模型研究[J].四川建筑科学研究,2007,33(3):25-27.

[2] 李正英,蒋林均,李正良，等.曲线连续梁桥不同减隔震方案对比分析[J].振动与击,2016,35(10):157-161,173.

[3] 夏修身.铁路连续梁拱组合桥基于摩擦摆支座的减隔震研究[J].西北地震学报,2012,34(4):350-354.

[4] 李雄彦,薛素铎,潘克君，等.铜基面抗拔摩擦摆支座的力学性能研究[J].振动与击,2013,32(6):84-89.

[5] 宋松林,武星.应用摩擦摆支座的连续梁桥地震响应分析[J].公路,2013,(6):116-118.

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