高震区梁式渡槽摩擦摆支座参数敏感性分析

何俊荣 尤岭 李世平 朱璨

摘要：以滇中引水工程积福村输水梁式渡槽工程为背景，选取最高墩和最矮墩为研究对象，采用非线性时程分析法，计算分析了纵向、横向设计地震作用下，摩擦摆支座滑动面曲面半径R和摩擦系数μ对支座水平位移、墩底弯矩的影响。结果表明：① 在水平地震作用下，在曲面半径R一定时，支座水平位移随着滑动摩擦系数μ的增大而减小;当μ值在0.02～0.04之间变化时影响最明顯，μ值接近0.1时，支座位移趋于一致。② 在纵向地震作用下，墩底弯矩随μ增大而增大。③ 在横向地震作用下，当R取2 m时，墩底横向弯矩随μ值增大而增大;当R值在3～10 m之间变化时，墩底横向弯矩则随μ值的增大而出现先减小后增大的趋势，存在明显的拐点。相关参数研究成果对摩擦摆支座设计制造具有重要参考价值。

关 键 词：摩擦摆支座; 梁式渡槽; 滑动曲面半径; 滑动面摩擦系数; 敏感性分析; 滇中引水工程

中图法分类号： TV672.3;TV312   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.022

0 引 言

减隔震支座通过自身的剪切变形来延长结构周期和增加结构阻尼，能够较好地消耗地震能量，有效减小结构的地震响应。因其技术较为成熟，已被广泛运用于桥梁减隔震技术中。

1985年，美国Zayas等人提出了摩擦摆隔震理念。同年，摩擦摆支座由美国地震保护体系（EPS）公司发明，并首先用于房屋建筑，而后应用到桥梁、大型储油罐等结构上。1990年，Tsopelas等首次通过摩擦摆桥梁试验，验证了摩擦摆支座的隔震性能[1]。中国方面，李大望等对隔震结构的性态和地震反应进行了分析，建立了摩擦摆支座的非线性微分方程[2];杨林等完成了中国第一个运用摩擦摆隔震装置的模拟地震振动台试验[3];刘卫然等基于摩擦摆隔震剪切型结构的振动微分方程，进一步研究了该系统的振动形态，并分析了改变摩擦系数和滑道半径对结构隔震效果的影响[4];吴宜峰等以高烈度区三跨预应力混凝土连续梁桥为例，计算了桥梁在不同摩擦摆支座参数组合下的隔震效果，并研究了支座参数对隔震效果的影响[5];刘学强以大跨度连续梁桥为研究对象，研究了摩擦摆支座的布置方式以及支座的力学参数取值对结构地震响应的影响[6];王力等以长联大跨连续梁桥为背景，分析了地震动输入模式、地震动强度、摩擦摆支座参数对该桥内力、位移和能量响应的影响[7]。

输水渡槽与桥梁在结构形式和受力特点上基本一致，主要区别在于运营期通行的荷载有所不同。渡槽上部结构具有头重、脚轻的特点，采用摩擦摆支座，利用上部结构自重产生摩擦力进行耗能，可以达到较好的减隔震效果[8]。

目前，中国对摩擦摆支座的减隔震性能的研究基本集中在桥梁工程领域，而在渡槽上的运用鲜有研究。有鉴于此，本文以滇中引水工程大理Ⅰ段积福村梁式输水渡槽工程为背景，分析研究摩擦摆支座在不同设计参数组合下的减震耗能效果，以便为高震区梁式渡槽工程中摩擦摆支座的设计选型提供一定的参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

滇中引水工程大理Ⅰ段积福村梁式输水渡槽设计流量为135 m3/s，属于1级建筑物，双线为U型布置。槽身段设计为17×30 m预应力混凝土U型简支结构，如图1所示。渡槽总长为510.0 m，槽身高度为7.0 m，槽宽为8.3 m。渡槽总体布置如图1所示。

渡槽的下部结构采用圆端形空心墩配钻孔灌注桩作为基础，如图2所示。槽墩帽梁高为4.5 m，平面尺寸为10.8 m×6.1 m;墩身纵向壁厚为0.8 m，横向壁厚为1.0 m，圆端半径为1.6 m，墩身高度为9.0～30.0 m;承台平面尺寸为21.7 m×11.7 m，厚为3.5 m;基础采用16根直径为1.5 m的钻孔灌注桩，呈6排梅花形布置。

1.2 场地地震动参数

工程区地震基本烈度为Ⅷ度。根据工程区场地地震安全性评价报告，50 a超越概率10%的水平向加速度代表值为2.99 m/s2，特征周期为0.45 s，阻尼比取0.05。安全性评价报告中提供的3条地震时程波如图3所示，时程分析结果取其中最大值。

2 摩擦摆支座工作原理

2.1 隔震原理

摩擦摆隔震支座是一种利用钟摆原理实现减隔震功能的支座，具有承受竖向荷载和水平位移的能力。支座通过滑动界面的摩擦消耗地震能量来实现减震功能，通过球面摆动延长结构运动周期来实现隔震功能[9]，其运动形式如图4所示。当滑动界面受到的地震作用超过静摩擦力时，滑块开始在圆弧面内滑动，使上部结构轻微抬高，发生单摆运动，同时支座在重力的作用下将朝中心位置自动回复。

2.2 回复力模型

3 有限元分析模型

本文研究的渡槽为单跨30 m的简支结构，选取能反映整体结构主要形态及特点的第4跨至第13跨，借助于MIDAS/CIVIL软件，建立了三维空间有限元分析模型，如图7所示。

考虑到桩土的作用，对桩基础采用了基于m法的土体等效弹簧开展模拟。模型两端相邻渡槽的作用，是以集中质量的形式施加于槽墩盖梁支座中心处，包括一跨槽身及水体重量的一半。按照水工抗震规范[12]，将槽内水体在地震作用下的模拟分为冲击动水压力和对流动水压力2个部分予以加载。渡槽支座均布置摩擦摆支座，采用MIDAS软件自带的“摩擦摆隔震装置”单元开展模拟。

4 摩擦摆支座参数分析

4.1 支座参数取值

第4跨至第13跨渡槽结构中，最高墩为6号墩，墩高为30 m;最矮墩为9号墩，墩高为9 m。本文以6号墩和9号墩为研究对象，系统研究摩擦摆支座2个主控参数，即滑动曲面半径R和滑动面摩擦系数μ的不同取值对地震响应的影响规律。参照摩擦摆支座常用的取值范围，本文分别取R=2，3，5，8，10 m，取μ=0.02，0.04，0.06，0.08和0.10进行参数分析。

4.2 纵向地震响应分析

在纵向地震作用下，支座曲面半径R、摩擦系数μ对6号高墩支座位移及墩底弯矩的影响如图8～9所示。

对9号矮墩支座位移及墩底弯矩的影响如图10～11所示。

（1） 不论是高墩还是矮墩，当曲面半径R一定时，支座位移随着滑动摩擦系数μ的增大而减小，当μ值在0.02～0.04之间变化时，对支座位移的影响最为明显，在0.06～0.08之间次之，当μ值接近0.10时，不同R值下的支座位移趋于一致。滑动摩擦系数μ一定时，曲面半径R越大，支座位移越大。

（2） 曲面半径R一定时，高墩和矮墩的墩底纵向弯矩均随着滑动摩擦系数μ的增大而增大。

4.3 横向地震响应分析

在横向地震作用下，支座曲面半径R、摩擦系数μ对6号高墩支座位移及墩底弯矩的影响如图12～13所示。对9号矮墩支座位移及墩底弯矩的影响如图14～15所示。

由图12～15可以看出：

（1） 在横向地震作用下，R与μ对支座位移的影响规律与纵向地震下的影响规律基本一致。无论高墩或矮墩，在曲面半径R一定时，滑动摩擦系数μ越大，支座位移越小，当μ值在0.02～0.04之间变化时，对支座位移的影响最为明显，μ值接近0.10时，不同R值下的支座位移趋于一致。

（2） 在横向地震作用时，当R取2 m时，墩底横向弯矩随着μ值的增大逐渐增大;当R值在3～10 m之间变化时，墩底横向弯矩则随着μ值的增大出现先减小后增大的趋势，墩底最小弯矩出现在μ值取0.06～0.08之间。

5 结 论

（1） 总体而言，在水平地震作用下，无论是高墩还是矮墩，支座水平位移在曲面半径R一定时，随着滑动摩擦系数μ增大而减小。当μ值在0.02～0.04之间变化时，对支座位移的影响最为明显，μ值接近0.10时，不同R值下的支座位移趋于一致。

（2） 在纵向地震作用下，曲面半径R一定时，高墩和矮墩的墩底弯矩均随着滑动摩擦系数μ的增大而增大。

（3） 在横向地震作用时，R与μ对墩底弯矩的影响较为复杂。当R取2 m时，墩底横向弯矩随着μ值的增大而增大;当R值在3～10 m之间变化时，墩底横向弯矩则随着μ值的增大出现先减小后增大的趋势，存在明显的拐点，拐点出现在μ为0.06～0.08之间。

（4） 输水渡槽中的水体在上部结构总重量中的占比大，抗震计算中，顺槽向一般不计水体附加质量，横槽向则需考虑全部水体的动水作用，故横向地震作用下的摩擦摆支座位移要远大于纵向地震。在减隔震设计中，应注意结合选取的支座控制参数，为摩擦摆支座发挥减震耗能作用预留足够的位移工作空间。

参考文献：

[1] TSOPELAS P，CONSTANTINOU M C，KIM Y S，et al.Experimental study of FPS system in bridge seismic isolation[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamic，1996，25（1）：65-78.

[2] 李大望，周錫元，霍达，等.FPS隔震结构的性态和地震反应分析[J].工程抗震，1996（1）：6-9.

[3] 杨林，常永平，周锡元，等.FPS隔震体系振动台试验与有限元模型对比分析[J].建筑结构学报，2008，29（4）：66-72.

[4] 刘卫然，魏建国，刘京红.摩擦摆隔震结构的地震响应分析[J].山西建筑，2006，32（20）：11-12.

[5] 吴宜峰，李爱群，王浩.连续梁桥摩擦摆支座参数分析与优化[J].桥梁建设，2015（1）：20-25.

[6] 刘学强.大跨度连续梁桥摩擦摆支座布置及参数研究[J].铁道标准设计，2016，60（11）：70-76.

[7] 王力，杨延超，刘世忠，等.长联大跨摩擦摆支座隔震连续梁桥多维地震反应分析[J].世界地震工程，2020，36（2）：129-137.

[8] 何俊荣，尤岭，李世平，等.高烈度区梁式渡槽减隔震设计研究[J].水利规划与设计，2019（9）：140-145.

[9] 陈广进，付强，赵九平，等.公路桥梁摩擦摆式减隔震支座：JT/T 852-2013[S].北京：人民交通出版社，2013.

[10] 张新忠，何宇森，唐克东.基于摩擦摆支座的城市高架桥梁隔震性能研究[J].工程抗震与加固改造，2020，42（1）：90-95.

[11] 朱开才.基于摩擦摆支座的长联大跨连续梁桥减隔震性能参数分析[J].城市道桥与防洪，2018（12）：144-147.

[12] 水电水利规划设计总院.水电工程水工建筑物抗震设计规范：NBT 35047-2015[S].北京：中国电力出版社，2015.

（编辑：赵秋云）