桥梁和建筑用摩擦摆支座设计开发研究

帅昌俊

（武汉亿纬储能有限公司，武汉 430223）

0 引言

我国幅员辽阔，山川河流众多，近年来，随着经济建设的发展，我国修建了很多铁路、桥梁及建筑，它们以不同的结构形式跨越了很多地质构造复杂的区域，甚至是高烈度地震区域。桥梁和建筑是国家和人民的重大财产，而地震灾害是一种突发性、瞬时性的自然灾害，往往在很短的时间内造成桥梁和建筑倒塌、人员伤亡。

国家已经颁布了一系列的法规，在我国桥梁和重要建筑上，必须强制使用减隔震方法，保证结构安全。减隔震技术是全世界都在推广应用的成熟高新技术之一，它的使用使得建筑在地震中不倒塌真正成为可能，使其成为减轻地震灾害最有效的手段之一。GB 50011-2016《抗震设计规范》中，也强调了隔震的重要性，隔震与消能减震设计可用于对抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑[1]。

现有的隔震系统中最常见的有高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座对高频波的隔震效果较好，但在罕遇地震作用下，水平位移较大。铅芯橡胶支座在罕遇地震作用下，水平位移较小，但是对于高频波的隔震效果相对较差，且对环境的污染较为严重。摩擦摆支座（FPB）承载力高、阻尼比大、复位能力强，其出色的综合性能使其在工程结构中受到广泛的关注。在实际工程中，对于一个大型的桥梁和建筑，需要根据结构要求和地震参数综合运用各种减隔震技术，以达到最佳的抗震效果。

本文介绍了摩擦摆支座的原理、摩擦摆支座设计计算及校核、摩擦摆支座核心耐磨材料的选型及某型号的摩擦摆支座的试验验证，设计与试验严格按照标准EN 15129和标准EN 1337进行，最后提出自己的看法，供相关设计人员讨论与交流。

1 FPB的基本原理与标准规范

桥梁和建筑等结构地震响应的降低可通过以下策略来实现：将结构的自振周期转移到加速度响应较小的区域和耗散能量（阻尼），根据上述策略，通过检查典型的加速度反应谱图，很容易理解抗震装置的效果。由图1可知，只要将桥梁自振周期延长至3～4 s或更长，就可以大大降低桥梁结构地震响应。

图1 地震加速度反应谱

根据钟摆的原理，摩擦摆支座迫使结构按照自己的周期振荡，摩擦摆支座的周期仅由钟摆的半径R和重力加速度g决定，它的周期不受质量M的影响，它的原理如图2所示。在实际工程中，摩擦摆支座是基于球面滑动表面和耐磨材料的相互运动，它满足标准EN 15129给出的4项要求：1）它像球型支座一样支撑桥梁和建筑结构的重力；2）它通过滑动面提供横向位移能力；3）它提供重新定心能力，当被推至空档位置时存储势能，并将其返回初始位置；4）它通过滑动面的摩擦提供能量耗散。

图2 摩擦摆支座的原理

摩擦摆支座已经运行在国内的许多实际桥梁和建筑工程中，如港珠澳大桥、重庆朝天门来福士广场、武汉的恒隆广场等。摩擦摆支座有使用寿命长、产品性能不受环境影响、耐受火宅、隔震位移大、偏载无偏心、球面自动归心、地震响应及时等优点，它将在减隔震支座领域获得广泛应用。

如表1所示，目前国内企业通过自身的工程技术优势，将相应的技术上升为国家标准和国家专利，代表了目前摩擦摆支座的核心技术，主要有洛阳双瑞特种装备有限公司等起草的标准JT/T 927和衡水宝力工程橡胶有限公司等起草的标准JT/T 852；武汉鑫拓力工程技术有限公司通过自身的技术优势编制了符合标准EN 15129的通用图册FPQZ，大大促进了摩擦摆支座的标准化应用；中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司根据工程中实际运用的需要创新地提出了各向异性的摩擦摆减隔震支座，使之成为国家标准，并申请了相应的专利；中国建筑标准设计研究院有限公司也起草了建筑上使用的摩擦摆标准，使得桥梁和建筑均有标准可依。

表1 国内设计单位摩擦摆支座产品型号

虽然摩擦摆支座设计与应用在国内起步比较晚，但在工程实践中设计的摩擦摆产品如百花齐放，大大促进了摩擦摆技术的进步和发展，设计院与企业均对摩擦摆支座的运用进行了创新，例如速度锁定摩擦摆支座、UFP抗拉拔摩擦摆支座、拉索减震摩擦摆支座、防落梁摩擦摆支座、调高测力摩擦摆支座等。

2 FPB的结构设计

摩擦摆支座主要的设计参数为竖向承载力、隔震半径、摩擦因数、地震位移。为了准确地得到这些参数，需要建立整桥的有限元分析模型，并进行线性时程分析。我们一般通过反应谱的方法计算出不同烈度、不同特征周期的摩擦摆支座隔震参数，其中最主要的是基于项目地区的地震加速度反应谱来选择合适的参数。

根据国家标准，摩擦摆支座的周期计算公式为

等效半径计算公式为

式中：W为支座竖向载荷；R为等效半径；SR为上球面球径；R1为球冠转动面曲率半径；b为球冠高度；D为支座位移量；μ为支座的摩擦因数。

当摩擦摆支座参数确定后，其等效刚度、等效阻尼比及支座回复力均可通过经典公式计算出来,其载荷位移曲线如图3所示。

图3 载荷位移滞回曲线

摩擦摆支座由上球面钢板、上球面耐磨板、球冠衬板、下球面耐磨板、下支座板组成，支座通过2个球面副提供承载、转角和位移等功能。摩擦摆支座的结构设计是实现摩擦摆支座功能的基础，其重点有耐磨板材质选择、耐磨板压力校核等。耐磨板是摩擦摆支座减震耗能的核心部件，必须保证支座的滑动与转动功能，对于转动耐磨板，其摩擦因数越小越好；对于滑动耐磨板，其干摩擦因数要大，热稳定性要好，线磨耗率要低，才能很好地满足设计要求。目前工程设计中已采用的材料如表2所示。

表2 主要摩擦副材料性能参数表

目前国内常用的耐磨材料主要有PTFE和UHMW-PE两种材料，但这两种材料均不适用于摩擦摆支座，主要因为在地震工况下，材料的承压能力和温度适用范围不够，因为摩擦摆支座摩擦耗能的过程，会使得耐磨材料温度升高，温度升高的时候，其抗压强度就会降低，其曲线如图4所示。同时，因为耐磨材料是非金属材料，其与金属摩擦的时候会有磨耗，磨耗性能会关系到支座的正常寿命和减隔震性能，经过试验，测得FLOWGO的线磨耗率为1.257 μm/km, 而在标准中，PTFE线磨耗率为15 μm/km，UHMW -PE的线磨耗率为5 μm/km，所以本文在摩擦摆支座项目中选用了FLOWGO材料。

图4 不同材料的耐压曲线图

根据标准EN 15129和EN 1337，摩擦摆支座需要满足接触面压σp≥0，则e≤L/8。其中：e为总偏心率；L为投影区域的半径。本文的摩擦摆支座结构如图5所示，设计的输入参数如表3所示。

图5 摩擦摆支座结构图

表3 摩擦摆支座主要参数表

式中：fk为滑动耐磨板的抗压强度，取180 MPa（FLOWGO材料在温度T<35 ℃时fk=220 MPa，35 ℃

3 FPB的试验验证

随着摩擦摆技术在国内运用越来越广泛，国内企业对试验设备也越来越重视，表4为世界范围内试验机的性能参数。

表4 主要试验机性能参数表

根据以上的研究方法，以型号FPQZ-6000-SX-e200-R3.39为例验证设计方案。该摩擦摆支座参数上文已说明，其减隔震性能试验按欧洲标准EN 15129进行。在支座设计载荷下进行滞回性能试验，峰值速度为Ved=2π·f·D。其中，f 为隔震频率，即隔震周期的倒数[6]。经计算，速度值为Ved=341 mm/s，试验结束后拆开支座观察，耐磨材料完好，各零件无可视变形及损坏。试验中时间与力的关系如图6所示，时间与位移的关系如图7所示，试验得到的滞回曲线如图8所示，滞回曲线饱满，耗能效果明显。

图6 时间与力的关系图

图7 时间与位移关系图

图8 试验滞回曲线

4 结论

1）对现有的国家标准、企业设计的摩擦摆产品类型、摩擦副材料及工程试验室进行总结，基本上反映了摩擦摆支座设计与试验的核心资源，为业内人员提供参考。未来企业在摩擦摆相关标准的指引下，做好成套的通用图册，从而推进摩擦摆支座的标准化、产业化发展。

2）需要做更多的试验研究，特别是摩擦副的试验研究和支座整体性能试验研究，从而对现有摩擦摆行业标准进行完善和补充[1]；PTFE和UHMW-PE材料在高温动载试验时有熔融的现象，表现不佳，建议面向新的工程塑料（如聚酰胺、涤纶树脂及本文中提到的达克纶材料）做更加深入的研究。因此，在实际工程项目中，摩擦摆项目不仅需要理论设计校核，也更需要做试验验证。

3）摩擦摆支座在结构上需进一步创新，以适应工程实践中越来越多的复杂情况。摩擦摆支座有单曲面、双曲面、三曲面等形式[2-4]，兼顾了摩擦摆支座的转动、滑动、位移性能。目前摩擦摆支座周期都是固定的，而在近断层常伴有长周期脉冲型地震波，容易与隔震结构发生低频共振。变曲率的摩擦摆支座周期可以随着位移的变化而改变，这是未来摩擦摆支座技术的一个发展方向[5]，各向异性摩擦摆支座XFPB的滑动面就是椭球面，顺桥向和横桥向的支座刚度和阻尼特性不一样，目前已经在工程中实际运用，满足了复杂多变的桥梁工况，这也是变曲率摩擦摆支座的一种形式。