带水平滑动面的双曲面球形支座SAP2000模拟及分析

虢 浩

湖南省建筑设计院有限公司，湖南长沙 410000

近年来双曲面球型减隔震支座在房屋建筑及桥梁中的成功应用，是我国减隔震支座有效减小地震作用，保障结构抗震安全的成功范例。但当上部结构因温度变化等原因与底座发生相对水平移动时，上、下支座板之间将产生竖向相对位移。在非地震作用下，支座竖向位移也将引起连续梁桥次内力。在支座下方增加水平滑动面，可以消除在非地震作用下支座的竖向位移，并增加支座在地震作用下的水平位移能力。本文将探讨带水平滑动面的双曲面球型减隔震支座的工作原理，并且利用SAP2000对影响该支座抗震性能的各个参数进行分析，给结构设计提供一定的参考。

1 支座的工作原理及模拟

1.1 带水平滑动面的双曲面球形支座的结构介绍

带水平滑动面的双曲面球形支座由一个带有水平滑动面的底板、一个带有转动球面的下支座板、一个具有双球面的中支座板和带有滑动球面的上支座板组成（见图1）。上支座板下表面与中支座板的滑动球面相切，在出现水平相对位移后可以提供竖向和水平反力。中支座板下表面与下支座板的转动球面相切，在发生转动后也可以提供竖向支承。下支座板与底板通过水平滑动面相连，当发生非地震作用时，下支座板将在底板的水平滑动面上滑动，直至碰到底板的挡板。底板与柱墩通过螺栓相连，成为一个整体。该支座为滑动支座，在正常使用下可以自由滑动。发生地震后，一旦水平地震作用大到一定程度，上部的双曲面球形支座将碰到底座的挡板，只要水平地震作用足够大就能引起上部的双曲面球形支座上下支座板产生相对位移，中支座板必须通过相应的转动、滑动以适应这样的位移。

图1 带水平滑动面的双曲面球形支座

2 Sap2000计算分析

本文采用桥梁模型模拟分析。该桥跨径30.5m，墩高为8m，在桥墩上安装带水平滑动面的双曲面球形支座。本文采用非线性的时程分析法，地震烈度取8度0.2g。

2.1 “Open”参数对支座抗震性能的影响

“Open”的设计参数定为：0.005，0.01，0.02。

“Open”与最大位移、最大剪力值的关系如图2、3所示。

图2 支座最大位移与“open”参数的关系

图3 支座最大剪力与“open”参数的关系

2.2 双曲面球形支座摩擦系数对支座抗震性能的影响

双曲面球形支座摩擦系数µ1取：0.01，0.02，0.03，0.04，0.05。µ1与最大位移、最大剪力值的关系如图4、5所示。

图4 支座最大位移与μ1的关系

图5 支座最大剪力与μ1的关系

2.3 水平滑动面摩擦系数对支座抗震性能的影响

水平滑动面摩擦系数µ2系数取：0.01、0.02、0.03、0.04、0.05。µ2与最大位移、最大剪力值的关系如图6、7所示。

图6 支座最大位移与的关系

图7 支座最大剪力与的关系

2.4 曲率半径对支座抗震性能的影响

本文中设定的曲率半径R参数取：0.5，2，5，8。R与最大位移、最大剪力值的关系如图8、9所示。

图8 支座最大位移与R的关系

图9 支座最大剪力与R的关系

2.5 各参数综合比较

2.5.1 减小梁的最大位移的方法

“open”和曲率半径的增加使得支座的最大位移增大。“open”对于最大位移的改变是均匀的，支座最大位移随着“open”的增加而均匀增加。双曲面球形支座的摩擦系数和底座滑动面的摩擦系数的增加使得支座最大位移减小，不过球形支座的摩擦系数对于改变最大位移的效果更佳。要减小梁的最大位移，可以通过以下四个途径：减小支座底板的挡板间隙，减小曲率半径，增大上部双曲面球形支座的摩擦系数，增大底座滑动面的摩擦系数。

2.5.2 减小墩底最大剪力的方法

“open”和曲率半径的增加都可以有效的减小支座的最大剪力。曲率半径的改变对于改变墩底剪力的效果是十分显著的。双曲面球形支座摩擦系数对于最大剪力没有明显的比例关系，但支座最大剪力有一个最小值是在摩擦系数为0.02左右。同样的道理，当底座滑动面的摩擦系数在0.04左右时墩底剪力最小。

3 结语

本文在烈度为8度的地震波荷载作用下研究梁的最大位移和墩底的最大剪力。在Sap2000中通过设置Gap、Hook、Friction Isolator、曲率半径为零的Friction Isolator的参数来进行计算。将同一个参数的不同数值下的得出的数据放在一起比较，得出该参数对于支座隔震性能的影响。再通过将所有参数一起对比得出总的结论。