吳建國(guó)

（福建江夏學(xué)院，福建 福州 350108）

摩擦擺支座參數(shù)變化對(duì)簡(jiǎn)支橋梁隔震效果研究江夏

吳建國(guó)

（福建江夏學(xué)院，福建 福州 350108）

以某簡(jiǎn)支梁橋?yàn)閷?shí)際工程背景，以摩擦擺支座的滑動(dòng)曲面半徑及滑動(dòng)摩擦系數(shù)為主要參數(shù)。系統(tǒng)研究了摩擦擺隔震支座的兩個(gè)主要參數(shù)的變化對(duì)隔震簡(jiǎn)支橋梁的隔震效果的影響，摩擦系數(shù)越大，高速鐵路橋梁的隔震效果越好，摩擦擺滑動(dòng)曲面半徑的大小對(duì)高速鐵路橋梁的隔震效果影響不大。

簡(jiǎn)支橋梁；隔震；摩擦擺支座；參數(shù)變化

我國(guó)橋梁正處于高速發(fā)展時(shí)期，而其中高架橋梁占據(jù)了相當(dāng)大的比例，在遭遇地震災(zāi)害時(shí)，高架橋梁結(jié)構(gòu)安全性等問(wèn)題亟待解決[1,2]。因此對(duì)處于地震區(qū)的橋梁抗震性能的研究具有重要的意義。橋梁隔震作為一種新型抗震技術(shù)，在近十幾年的研究中不斷深入[3-5]。摩擦擺最早是由Zayas提出的一種隔震系統(tǒng)，通過(guò)兩個(gè)曲面的摩擦滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支座的正常功能，利用鐘擺機(jī)理延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，同時(shí)通過(guò)擺動(dòng)過(guò)程中的摩擦耗能以及勢(shì)能做功，減少地震力的作用。摩擦擺支座是一種性能更加優(yōu)良的隔震裝置，具有承載能力高、位移能力大、耐久性強(qiáng)、可自動(dòng)復(fù)位等優(yōu)點(diǎn)，并可以通過(guò)改變滑道半徑調(diào)整隔震周期。我國(guó)高速鐵路高架橋梁具有自己的特點(diǎn)，因此對(duì)摩擦擺支座高架橋梁系統(tǒng)進(jìn)行理論分析及性能研究很有必要。對(duì)摩擦擺隔震支座影響最大的兩個(gè)參數(shù):一是摩擦擺動(dòng)曲率半徑，二是摩擦擺隔震支座的摩擦系數(shù)。本文主要通過(guò)摩擦擺隔震支座的這兩個(gè)參數(shù)變化對(duì)簡(jiǎn)支橋隔震效果進(jìn)行研究。

1 摩擦擺支座的力學(xué)模型及基本原理

摩擦擺支座通過(guò)摩擦耗能的方式將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能，并通過(guò)單擺式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了位移的自我恢復(fù)，既提高了震時(shí)的隔震性能，又避免了震后調(diào)整工序。摩擦擺支座的力與位移關(guān)系如圖1所示。

圖1 摩擦擺支座的受力圖示

摩擦擺支座通過(guò)結(jié)構(gòu)自重沿滑動(dòng)曲面的切線方向的分力提供恢復(fù)力，支座的側(cè)向力F為恢復(fù)力與摩擦力之和，可表示為：

式中W是結(jié)構(gòu)豎向載荷；D是支座在側(cè)向的位移；R是曲率半徑；μ是摩擦系數(shù)。于是支座屈后剛度可以通過(guò)下式得到：

假定第一自振周期為T1，使用該支座代替原支座后，減隔震結(jié)構(gòu)的第一自振周期為：

T值主要與球心距和原結(jié)構(gòu)周期有關(guān)。

2 計(jì)算模型及分析方法

某簡(jiǎn)支橋梁的橋跨6m×32m。本橋地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，設(shè)防烈度為八度地震區(qū)，主梁采用預(yù)應(yīng)力單箱截面，采用單墩柱，墩高均為23.5m，不考慮樁土效應(yīng)。本文采用有限元程序SAP2000建立全橋有限元模型進(jìn)行空間地震反應(yīng)分析，模型中墩承臺(tái)及主梁各構(gòu)件均采用空間梁?jiǎn)卧M。地基及基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ166-2011的規(guī)定簡(jiǎn)化成平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧施加于承臺(tái)底；摩擦擺支座采用專門的非線性連接單元模擬；主梁與墩采用摩擦擺隔震支座相連接。摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)是有限元模型中的關(guān)鍵構(gòu)，其模型正確與否關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而SAP2000軟件中有專門的摩擦擺隔震單元，可選用LINK單元中的Friction Isoltion單元來(lái)模擬摩擦擺支座，摩擦擺支座的初始剛度、等效線性剛度、摩擦因數(shù)等參數(shù)可按照所選用的摩擦擺尺寸進(jìn)行計(jì)算輸入。如圖2所示為簡(jiǎn)支橋梁在SAP2000有限元軟件中的有限元分析模型。

圖2 簡(jiǎn)支橋梁有限元分析模型

地震波選取。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010與《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50111-2006選取輸入的地震波，分別選擇兩條與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相容的地震波（EICentro波、天津波），并通過(guò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜擬合一條人工波，對(duì)隔震橋梁進(jìn)行非線性時(shí)程分析。

3 摩擦擺隔震支座曲率半徑對(duì)簡(jiǎn)支橋隔震性能影響規(guī)律研究

摩擦擺隔震支座豎向設(shè)計(jì)承載力為5500kN；摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)：3%，6%，9%；設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度下的支座設(shè)計(jì)極限位移為；摩擦擺隔震支座的曲率半徑：1m，1.5m，2m。

3.1 摩擦擺隔震支座簡(jiǎn)支橋隔震性能分析

3條地震波依據(jù)8度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整它們的加速度峰值為0.4m/s2，調(diào)整擺支座摩擦系數(shù)為6%，調(diào)整其曲率半徑設(shè)計(jì)為2m。根據(jù)抗震與隔震情況進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，如圖3、圖4、圖5所示，為隔震前后在ELCentro波、天津波、人工波作用下高速鐵路橋梁地震響應(yīng)結(jié)果比較。

圖3 ELCentro波下主梁加速度響應(yīng)

圖4 天津波下主梁加速度響應(yīng)

圖5 人工波下主梁加速度響應(yīng)

從以上分析可知，摩擦擺隔震支座對(duì)于橋梁的隔震具有顯著的效果，通過(guò)三種地震波的分析可知，摩擦擺支座隔震率基本上在50%以上。特別是對(duì)于天津波作用下隔震簡(jiǎn)支橋梁的加速度峰值是2m/ s2，非隔震簡(jiǎn)支橋梁的加速度峰值高達(dá)5.5m/s2。

3.2 摩擦擺隔震支座曲率變化對(duì)簡(jiǎn)支橋的隔震性能的影響

摩擦擺隔震支座豎向設(shè)計(jì)承載力為5500KN，摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)6%，摩擦擺隔震支座的曲率半徑分別為：1m，1.5m，2m。將3條地震波按照8度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整加速度峰值為。分別對(duì)抗震與隔震高速鐵路橋梁進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，如圖6、圖7、圖8所示，為隔震前后高速鐵路橋梁地震響應(yīng)結(jié)果比較。

圖6 主梁加速度峰值

圖7 墩底剪力峰值

圖8 主梁位移峰值

從以上分析可知，摩擦擺隔震支座的曲率半徑對(duì)于橋梁的隔震的效果沒(méi)有多大的影響。

4 摩擦擺隔震支座摩擦系數(shù)對(duì)簡(jiǎn)支橋隔震性能的影響規(guī)律

將3條地震波按照8度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整加速度峰值為0.4m/s2，摩擦擺支座的摩擦系數(shù)分別為3%，6%，9%，曲率半徑選為2m。分別對(duì)抗震與隔震高速鐵路橋梁進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，如圖9、圖10、圖11所示，為隔震前后高速鐵路橋梁地震響應(yīng)結(jié)果比較。

圖9 主梁加速度峰值

圖10 墩底剪力峰值

圖11 主梁位移峰值

從主梁加速度圖可知，摩擦擺摩擦系數(shù)的越大，基于摩擦擺簡(jiǎn)支橋梁的隔震效果越好。墩底剪力圖中，總體上可以看出摩擦擺摩擦系數(shù)的高低影響簡(jiǎn)支橋的隔震效果，且系數(shù)越高墩底剪力越小隔震效果越差。上圖中的主梁位移圖中摩擦擺摩擦系數(shù)的大小對(duì)簡(jiǎn)支橋梁主梁的位移影響不大。

5 結(jié)論

1）使用摩擦擺隔震支座的高速鐵路橋梁對(duì)高烈度的地震能夠起到很好的隔震效果。

2）摩擦擺隔震支座的曲率半徑的大小對(duì)摩擦擺隔震支座高速鐵路橋梁隔震率大小的影響不大。

3）摩擦擺隔震支座的摩擦系數(shù)對(duì)高速鐵路橋梁的隔震效果影響很大，且摩擦系數(shù)的越大，隔震效果越好。

[1] 王建強(qiáng),丁永剛,李大望，等.摩擦擺支座恢復(fù)力模型研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2007,33(3):25-27.

[2] 李正英,蔣林均,李正良，等.曲線連續(xù)梁橋不同減隔震方案對(duì)比分析[J].振動(dòng)與擊,2016,35(10):157-161,173.

[3] 夏修身.鐵路連續(xù)梁拱組合橋基于摩擦擺支座的減隔震研究[J].西北地震學(xué)報(bào),2012,34(4):350-354.

[4] 李雄彥,薛素鐸,潘克君，等.銅基面抗拔摩擦擺支座的力學(xué)性能研究[J].振動(dòng)與擊,2013,32(6):84-89.

[5] 宋松林,武星.應(yīng)用摩擦擺支座的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析[J].公路,2013,(6):116-118.

U441+.4