摩擦摆支座在桥梁抗震设计中的应用

黄星瑞，李双红

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

摩擦摆支座在桥梁抗震设计中的应用

黄星瑞，李双红

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

详细的介绍了摩擦摆隔震支座，然后结合实际案例分析了摩擦摆隔震支座在桥梁抗震设计中的应用。

摩擦摆支座；桥梁；抗震设计；应用

1 减震、隔震支座的发展及应用

在桥梁中，支座是连接桥梁上下部结构的重要组成部分，其起着传到荷载的作用。在桥梁结构中，支座是十分重要的一部分，一旦其发生损坏将会直接影响到桥梁整体的稳定性。因此在进行桥梁的抗震设计时，一定要做好支座的防护设计。考虑到支座的特殊性，一些研究人员提出了设计减震、隔震支座的观念，这一观念在提出后受到了较多的关注，相关的研究人员通过在桥梁的支座上安装一些减震、隔震的装置来实现减少桥梁结构振动的目的，并且取得了较好的效果。我国在汶川大地震以后开始广泛的管账桥梁的减震、隔震支座研究，在实际的施工中应用了一系列的减震、隔震支座。在实际的桥梁施工中，常用的防震支座有以下几种：摩擦摆式支座、铅芯橡胶支座、黏滞阻尼器软钢阻尼支座以及速度锁定支座等。

2 摩擦摆支座的工作原理分析

摩擦摆支座是根据单摆的原理来加以设计研发的，其是在普通平面滑动隔震支座的基础上加以改进得到的一种防震支座。在安装了摩擦摆式减隔震支座以后，当发生小幅度的震动时，其上部结构能够依靠自重确保内部的稳定，在静摩擦力的作用下，滑块并不会发生滑动。当振动达到一定的强度时，结构会按照预先的设计发生周期性的滑动，从而将震动的能量转变为内部的能力，不再像桥梁的下部传递。在安装了摩擦摆式减隔震支座以后，一旦发生震动，其内部的支座桥面曲率会发生变化，从而使支座的摆动周期发生改变。当支座发生水平方向上的运动时，重力竖向上会发生提升，将支座的动能转变为势能，从而使震动的能量降低。在震动结束以后，支座会在重力的作用下逐渐的恢复。

支座的具体结构如图1所示，从图中可以看出，其是利用了滑动面来将整个结构的振动周期延长，从而使地震作用下的放大效应进一步的减弱，使得地震下产生的振动能量影响降到最低。整个系统的周期以及刚度都是经过科学的分析与计算的，当发生震动时，在重力以及静态阻尼的作用下滑块会发生滑动，转变振动的能量。通过摆动，延长下部结构自振周期，实现隔震功能。周期一般为桥梁固有周期的2倍以上，不能太大，否则难以复位，其范围为2～6 s；太小则梁体升高偏大，因此设计时需针对不同吨位选择合理周期，满足抬高及复位要求。并且支座内部的弧面具有修复功能，其能够有效的而避免支座发生位移，当震动停止后能够及时的回复原来的状态，确保支座的稳定。

图1 摩擦摆支座结构示意图

3 桥梁抗震设计的摩擦摆支座应用实例

某高架桥梁是城市重点项目，在设计的过程中桥梁的主线部分与匝道的结构采用的是预应力混凝土连续梁结构，在施工过程中以支架现浇施工法进行施工。在进行桥梁设计的过程中，设计的桥梁抗震等级是乙类，地震的基本烈度是7度。因为该桥梁的上部结构形式比较多样化，在进行设计时考虑到桥梁的跨径变化、立柱高度的变化等，其存在较大的差异，因此在进行桥梁的抗震分析时需要消耗大量的时间。一般而言，不同抗震等级的桥梁应当选择不同的摩擦摆支座，在具体选择时可以参照图2。

图2 不同型号摩擦摆支座对应的的证等级

以主线高架立柱高度为8 m的3×30 m标准联结构为例，分析采用摩擦摆隔震支座的结构抗震性能。其中，标准联箱梁结构宽度17.5 m、高度2.0 m，采用单箱多室断面，顶板厚度为250 mm，底板跨中厚度为250 mm，支点附近厚度为400 mm；腹板标准厚度为400 mm，支点附近厚度为700 mm，边支点渐变段为5 m，中支点渐变段为8 m。下部结构采用双立柱，每个立柱下设4根直径1.2 m的钻孔灌注桩。

在抗震分析中，对标准联结构分别采用全部常规支座(隔震前)与中间桥墩采用摩擦摆支座(隔震后)进行分析比较，从而得到摩擦摆支座的抗震性能。

3.1 动力分析模型以及计算参数

动力分析采用SAP2000Nonlinear有限元程序，应用三维有限元模型建立计算模型进行抗震性能分析，计算模型均以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。计算模型均考虑左右各一联桥梁结构的影响。模型中主梁和桥墩均离散为空间梁单元，其中主梁采用单梁式力学模型，承台采用集中质量进行模拟；桩基础的模拟为6×6弹簧刚度模型，按静力的m法计算，但m系数考虑动力影响提高2～3倍。

3.2 时程分析结果

根据动力分析结果，隔震前的标准联结构其一阶振动模态为固定墩——1#墩纵向位移，周期为1.371 s，频率为0.730 Hz；而隔震后结构的一阶振动模态为主梁纵向位移，周期为3.475 s，频率为0.288 Hz。由此可见，采用摩擦摆支座后结构的周期大大延长。

采用摩擦摆支座后结构墩柱的内力与支座剪力大大减小，横桥向的隔震率略大于纵桥向，而隔震后的主梁位移比隔震前增加较多，在设计时要注意支座与抗震挡块之间的间隙，确保摩擦摆支座的极限位移。由于采用半径大的摩擦摆支座引起较大的主梁支座位移(根据计算结果得到，摩擦摆支座R=3.0 m。纵向支座位移0.240 m，横向支座位移0.233 m)，需要设置较大间隙的抗震挡块，采用较小半径的摩擦摆支座可以适当减小主梁支座的位移。

4 结 语

在桥梁设计的过程中应用摩擦摆隔震支座能够有效的而降低桥墩的剪切力，降低桥墩顶部所承受的剪力值，并且还会增加桥梁与桥墩之间的位移。在实际的桥梁抗震结构设计中，在选择摩擦摆隔震支座进行抗震设计时必须要根据桥梁的实际情况选择合理的支座参数，对于桥梁整体的控制墩以及梁之间的位移进行准确的计算，从而最大程度上降低桥梁的振动系统，确保桥梁整体结构的稳定性与抗震性。

[1] 杨允表.摩擦摆支座在桥梁抗震设计中的应用[J].中国市政工程,2014,16(5):88-91.

[2] 庞博,王宏.基于时程分析的桥梁支座抗震性能对比研究[J].公路,2014,31(10):139-143.

[3] 孙洪亮.摩擦摆支座在某连续梁桥抗震设计中的应用[J].山西建筑,2015,16(30):167-169.

U445.7+5

C

1008-3383(2017)09-0136-01

2017-06-07

黄星瑞(1990-)，男，贵州遵义人，工程师，研究方向：桥梁设计。