摩擦摆支座理论研究

摘 要：摩擦摆支座是一款摩擦型耗能器，具有优异的性能。本文以永宁黄河公路大桥支座施工为例，通过有限元软件对球形支座、柱面支座进行抗震模拟分析，为支座的设计与施工提供参考。

关键词：摩擦摆；支座；技术理论文章编号：2095-4085（2024）04-0236-03

1 基本技术理论

1.1 减隔震技术

减隔震原理是结构周期的延长和地震响应的减小采用减隔震装置的柔性到达，利用减震减能装置对墩梁因周期延长而产生的相对位移进行控制；还应在正常使用荷载的情况下，保证有足够的刚性，以保证结构的安全性和稳定性［1］。

1.2 普通支座力学模型

一般球状支座或盆状支座，又分为固定支座、单向支座和双向支座等三种支座。规范建议可供活动支座使用的复原力模型的双线性理想弹塑性弹簧单元模拟。支座临界滑动摩擦力，可通过滑动摩擦系数（一般取0.02）和支座竖向力获得；xy是支座屈服位移（一般取0.002～0.005m）［2-4］。而支座的固定方向，通常认为它的刚度很大，可输入一个较大的值模拟如108kN/m。

1.3 摩擦摆支座的力学模型

在桥梁正常使用状态下，摩擦摆球型支座具有一般球形支座的性能，在地震作用下具有减震和隔震功能，在高烈度区可在桥梁上作减震设计。摩擦摆球型支座结构形式多样，最早的有国外研发的钟摆式，国内现阶段采用较多的是双曲面形式。可将摩擦摆球型支座简化为双折线复原力力学模型［5］。

2 案例分析

2.1 项目概况

宁夏永宁黄河公路大桥是宁夏有史以来首座跨越黄河的大型地标式景点建筑。项目建成后将进一步加快宁夏地区社会经济发展的步伐。

大桥全长3 743.37m，包括东、西引桥700片预制T梁；跨东、西滨河大道191m连续箱梁；641m副桥连续箱梁；110m+260m+110m钻石型双塔双索面斜拉桥。按双向6车道一级公路建设，设计时速80km/h，行车道宽度2×16.5m。建设工期36个月。

河滩地段引桥上部结构主要采用50m装配式预应力混凝土T梁；副桥采用八跨预应力混凝土连续梁；桥跨布置为（50.5+6×90+50.5）m分幅设置。

永宁黄河大桥副桥结构为预应力混凝土变截面连续箱梁桥，其结构为（50.47+6×90+50.5）m， 桥面全宽33.5m。双柱式空心墩用于副桥和引桥的联接墩，墩顶横桥向均设置GZQZ系列隔震球型支座，每墩顶2个。联接墩支座均有6m的横向间隔。中墩采用花瓶式空心墩，墩顶横桥向设置FPQZ系列摩擦摆球型支座，每墩顶2个，横向间距6m。现取单幅桥作为分析结构。

桥梁上部结构为预应力混凝土变截面箱梁，单幅每个墩上采用两个支座，现对两种减隔震方案进行比较。

方案1：过渡墩采用GZQZ4.0摩擦摆球型支座，摩擦摆球型支座和柱面支座用于主墩支座［6］。柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300其性能为一个方向可以自由滑动，而另一个方向则是在发生相对滑动时可以发挥能量消耗的曲面。其中33#、34#、38#、39#墩外侧支座采用的是柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300，其余主墩都采用的是摩擦摆球型支座。

方案2：过渡墩同样采用GZQZ4.0摩擦摆球型支座，主墩支座布置是将原来的柱面支座FPQZ-30000-ZM-e300替换为摩擦摆球型支座FPQZ-30000-SX-e300，其余支座不变。

2.2 有限元建模分析

利用有限元通用分析软件MidasCivil构建结构的三维模型。梁单元模拟主梁、桥墩和基础，采用等代土制弹簧模拟桩土的共同作用，用M法计算等代土制弹簧的刚度。支座的模拟采用上文所述的模拟方式。

从两个方案的两种工况进行分析对比，一个是小震情况下E1地震作用，另一个是大震情况下E2地震作用。对于摩擦摆球型支座，在固定方向是设有限位挡块的，在地震作用下当支座水平剪切力到达一定大小时限位挡块熔断，释放出二次位移。在此假定限位块在E1地震时不发生熔断，限位块在E2地震时发生熔断，支座自由摆动。

采用设计反应谱通过软件模拟得到E1、E2地震波，两个工况分别模拟3条地震波，结果取3条波的最大值。

3 结构响应分析

3.1 E1作用响应（限位不熔断）

在E1地震作用下方案1和方案2各支座的固定方向限位挡块未断开，结构体系类似于抗震结构体系。以下是结构关键位置的地震响应对比（见图1～图3）。

从图1～图3所示的结构地震响应可以得出：在E1地震作用下，支承体系还处于抗震结构体系，36#墩为本联的固定墩，刚度最大，所以顺桥向地震作用时其响应最大；而横桥向地震作用时，各墩均有一个纵向支座（横桥向是限位的），所以横向地震作用是各墩受力相差不大，出现差异的原因，主要是由于每个墩的高度不同，墩的截面也不一样。在此可以认为，两种方案的地震反应结果在E1地震的作用下基本是相同的。

3.2 E2作用响应（限位熔断）

在E2地震作用下假设方案1和方案2各支座的固定方向限位挡块全部同时断开，释放出支座的二次位移，结构体系变为减隔震体系。以下是结构关键位置的地震响应对比（见图4～图6）。

从图6～图8所示的结构地震响应可以得出：在E2地震作用下， 假设支座限位装置熔断， 释放出二次位移，原来为支座固定的方向变成了可自由摆动的，支座刚度相对来说大大减小，所以整个结构的隔震效果很好，主要体现在顺桥向的固定墩和横桥向墩的响应减小了。E2地震作用下两方案的区别在于33#、34#、38#、39#墩外侧采用了不同的支座，一个是柱面支座，一个是摩擦摆球型支座。由于体系是基本一样的，所以周期振动基本上两个方案是一致的，结构响应也相差很小。

4 结论

对于预应力混凝土变截面连续梁桥，在采用动力时程分析方法分析了对采用不同柱面支座和摩擦摆球型支座的同个结构后，得出以下结论：从支座恢复力力学模型上对比，柱面支座和摩擦摆球型支座有所区别。柱面支座单向支座一个方向是曲面，靠摩擦及动势能转换耗散能量；而另一个方向是平面滑动，只能是靠摩擦耗能。摩擦摆球型支座是水平两个方向都是靠摩擦及动势能转换耗散能量。但就软件模拟支座力学模型上来说，两者的各水平刚度相差不大。所以计算出来的结构特征值差别不大，地震响应结果也非常接近。

参考文献：

［1］蒋利施，刘栋海.生态展示温室的结构设计探索［J］.农业工程技术，2019，39（16）：46-50.

［2］安振源，牛亚峰，张乾坤.大跨连续梁桥不同支座体系地震响应对比及参数研究［J］.公路交通技术，2020，36（2）：63-69.

［3］辛兵，王克海，徐升桥.京新高速上地斜拉桥抗震设计分析［J］.铁道勘察，2012，38（6）：79-84.

［4］王剑明，伍大成，赵鹏贤，等.桥梁分级减震支座抗震性能分析［J］.交通科技，2019（6）：68-71.

［5］曾永平，董俊，陈克坚，等.九度地震区高铁简支梁减隔震体系适应性分析［J］.铁道工程学报，2020，37（2）：46-52.

［6］郭赵元，陈仲扬，江臣，等.长联大跨复杂桥梁抗震设计及其方案优化［J］.南京工业大学学报（自然科学版），2020，42（3）：333-341.