馬錫棟 徐天宇

摘要：研究減隔震技術(shù)中的摩擦擺支座在高速鐵路橋梁上的應(yīng)用。對(duì)比傳統(tǒng)高速鐵路橋梁“抗震”裝置，分析減隔震技術(shù)中摩擦擺支座的構(gòu)造、原理、主要影響因素及隔震效果，對(duì)于解決高速鐵路橋梁架于地震帶之上的問題具有重要意義。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;橋梁;摩擦擺支座;隔震

一、研究背景與意義

眾所周知，我國(guó)是世界范圍的高速鐵路大國(guó)，通過"引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新"的方針，目前國(guó)內(nèi)高速鐵路里程占比更達(dá)全球總里程的一半以上;據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2017年年末，我國(guó)已建成并通車的高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)25000公里，其中橋梁里程達(dá)11300公里，約占已通車高鐵運(yùn)營(yíng)里程的一半?？梢娫谝?guī)劃、建設(shè)高鐵過程中橋梁已成為高速鐵路工程的主要組成部分[1]。

此外，中國(guó)位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。近十年來，中國(guó)西部頻頻發(fā)生地震，例如2008年汶川的8.0級(jí)大地震，期間造成超過萬人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)8451億元人民幣，地震不僅直接摧毀了房屋等建筑，還對(duì)鐵路等交通運(yùn)輸系統(tǒng)造成了極其嚴(yán)重的破壞。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提升、新時(shí)期“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的建設(shè)（如圖1），地震帶地區(qū)的鐵路橋梁抗震便成為了至關(guān)重要的關(guān)卡，必須對(duì)高速鐵路橋梁實(shí)施減隔震技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

20世紀(jì)70年代，傳統(tǒng)的依靠結(jié)構(gòu)變形、破壞實(shí)現(xiàn)抗震的延性抗震技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的需求，同時(shí)，新型的減隔震技術(shù)因其優(yōu)越的抗震效果，在各國(guó)鐵路橋梁建設(shè)中不斷被采用，譬如我國(guó)南疆鐵路的布谷孜大橋。但截止目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)減隔震技術(shù)的應(yīng)用僅局限于普通鐵路橋梁，并未在高速鐵路橋梁中植入，這是因?yàn)槠ヅ涓咚勹F路橋梁的裝置剛度需求更高、耐久性更強(qiáng)、動(dòng)力學(xué)性能更優(yōu)，傳統(tǒng)的減隔震技術(shù)并不能滿足。因此面對(duì)高速鐵路猛速發(fā)展與多地震帶地理環(huán)境的矛盾，應(yīng)當(dāng)引入減震設(shè)計(jì)方法，探尋和研究適合高速鐵路橋梁減震設(shè)計(jì)的措施，增強(qiáng)高速鐵路橋梁抵御地震災(zāi)害的能力[2]。

二、常用減隔震技術(shù)

減隔震技術(shù)是一種高效的新型抗震技術(shù)，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于房屋建筑、普通公路橋梁上，并且效果較傳統(tǒng)的延性抗震技術(shù)更為明顯[3]。近30多年，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員通過采用柔性支承延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、采用阻尼器式能量耗散元件以限制結(jié)構(gòu)位移、保證結(jié)構(gòu)足夠剛度[3]等措施的基礎(chǔ)上，研發(fā)了許多類型的減隔震裝置，接下來以鉛芯橡膠支座、盆式橡膠支座、摩擦擺支座為例，展開不同減隔震技術(shù)的介紹：

（一）鉛芯橡膠支座：在普通疊層橡膠支座的基礎(chǔ)上改進(jìn)（如圖2），鉛芯橡膠支座正是通過在普通疊層橡膠支座中的圓孔中插入純度很高的鉛芯來實(shí)現(xiàn)初始剛度較高、塑性變形能力弱和屈服點(diǎn)低等優(yōu)良性能，因此鉛芯橡膠支座既具備了普通疊層橡膠支座豎向承載力大和水平變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，還具備了一定的初始剛度，使支座阻尼比提高到了20%～30%。

（二）盆式橡膠支座：同樣由疊層橡膠支座改良發(fā)展而來，屬滑動(dòng)摩擦支座。盆式橡膠支座通過其內(nèi)部半封閉的鋼制盆腔約束橡膠板，從而使橡膠板三向受力，提高豎向承載力。除此之外，橡膠板自身的流體性質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)支座與上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。在橡膠板的上方，采用鋼襯板與密封圈密封橡膠圈，并通過鋼襯板上的聚四氟乙烯板與上支座板下的不銹鋼板摩擦實(shí)現(xiàn)支座的水平滑移（如圖3）。

（三）摩擦擺支座：通過一個(gè)球形滑動(dòng)表面以及一個(gè)抗壓強(qiáng)度很高的滑塊組成鐘擺系統(tǒng)，在地震作用下，通過滑塊在球形表面來回滑動(dòng)延長(zhǎng)隔震系統(tǒng)的周期，大幅減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)放大效應(yīng);在滑塊的滑動(dòng)過程中，界面摩擦消耗了一定的地震能量;并且在支座發(fā)生水平滑移后，橋梁通過自身的重力作用與滑塊的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)自行復(fù)位。

雖然鉛芯橡膠減震支座已在國(guó)內(nèi)外數(shù)百座橋梁上得到了應(yīng)用[4～5]，但其存在豎向承載能力有限，耐久性差、穩(wěn)定性差等問題;盆式橡膠支座雖然豎向承載能力與鉛芯橡膠支座相較有較大的提高，但其自身仍存在滯回耗能能力有限、自復(fù)位能力弱等缺點(diǎn)。因此，這兩類減隔震裝置都不能成為高速鐵路橋梁理想的減隔震裝置[6]。但摩擦擺支座恰具有承載能力高、穩(wěn)定性良好、復(fù)位功能和抗扭能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并已在國(guó)外公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)及抗震加固中得到了廣泛的應(yīng)用，因此摩擦擺支座相較前兩者更具優(yōu)勢(shì)[7～8]。

三、影響摩擦擺支座隔震性能的主要因素

（一）摩擦擺支座的減隔震原理

摩擦擺支座的減隔震原理[比較簡(jiǎn)單，如圖3所示，橋梁梁體部分支承在球形滑面上，當(dāng)所受的水平荷載小于限位裝置的最大限位力和靜摩擦力之和時(shí)，滑塊不會(huì)滑動(dòng)，保證橋梁在正常運(yùn)營(yíng)荷載下的剛度;當(dāng)所受的水平荷載大于限位裝置的最大限位力和靜摩擦力之和時(shí)，限位裝置剪斷，滑塊開始滑動(dòng)。此時(shí)，梁體相對(duì)橋墩發(fā)生位移，滑塊沿著球形滑面像鐘擺一樣發(fā) 生運(yùn)動(dòng)，在水平力減弱后，滑塊又能在豎向荷載的作用下自動(dòng)復(fù)位[9]。

如圖5所示，摩擦擺支座支座受豎向荷載 W作用，水平位移為 D，滑面曲率半徑為 R， 滑塊與滑面的靜摩擦系數(shù)為 μ。則有 D=Rsinθ，滑塊豎向壓力為 N=Wcosθ，滑塊所受摩擦力為 f=μN(yùn)sgn（θ），由這些力在支座滑面中心點(diǎn)的彎矩靜力平衡，可得支座所受水平力 F=WD/Rcosθ+f/cosθ，由于支座滑面曲率半徑一般比較大，所以θ比較小，上式可以寫成 F=WD/R+μWsgn（θ）。因此，摩擦擺支座由其豎向荷載產(chǎn)生的水平剛度 K2=W/R，則隔震系統(tǒng)的周期為：

由式（3-1）可得，裝置隔震周期與支座的豎向荷載無關(guān)。此外從圖中的支座滯回曲線也可以明顯看出，支座初始屈服剛度 K1較大，由式 K1=μW/Y 求得，其中 Y 表示在將要滑動(dòng)前支座產(chǎn)生的彈性剪切變形;屈服后剛度變?yōu)?K2=W/R，滯回面積E表明了滑塊摩擦引起的耗能，此類滯回行為被稱為剛性-線性滯回。其中摩擦擺支座的等效剛度 Keff為：

（二）影響摩擦擺支座減隔震效果的因素

1、墩高。墩高對(duì)摩擦擺支座的墩底彎矩減、隔震效果有較大的影響，7m墩高的墩底彎矩減震率明顯好于13m墩高的墩底彎矩減震率。墩高對(duì)摩擦擺支座的最大水平滑動(dòng)位移也有一定的影響，7m墩高的最大水平滑動(dòng)位移小于13m墩高的最大水平滑動(dòng)位移。

2、地震強(qiáng)度。地震強(qiáng)度對(duì)摩擦擺支座的最大水平滑動(dòng)位移影響較大，摩擦擺支座的最大水平滑動(dòng)位移隨地震強(qiáng)度的增大而增加。

3、場(chǎng)地類型。場(chǎng)地類型對(duì)墩底彎矩的減、隔震效果及墩、梁相對(duì)位移有較大影響[10]。

4、曲率半徑。過大的曲率半徑會(huì)導(dǎo)致橋板的大幅度晃動(dòng)，落梁的概率大大增加。過小的曲率半徑會(huì)導(dǎo)致減震球擺的晃動(dòng)太小，對(duì)于消耗地震能量起不到太大的作用。

5、限位裝置。目前世界上有多種限位裝置，每種限位裝置都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如何選取合適的限位裝置成為設(shè)計(jì)摩擦擺支座的一大問題。

6、摩擦系數(shù)。在準(zhǔn)確的曲率半徑基礎(chǔ)上，選取合適的摩擦系數(shù)才能有效地增加高鐵橋梁的抗震性。

（三）合理確定三個(gè)主要因素

1、曲率半徑

摩擦擺支座的曲率半徑對(duì)高速鐵路橋梁的地震反應(yīng)有較大影響，從力學(xué)平衡原理出發(fā)對(duì)摩擦擺支座曲率半徑進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)曲率半徑變化對(duì)摩擦擺支座殘余位移的影響在順橋、橫橋情況下均不能忽略，因此在高速鐵路橋梁摩擦擺支座隔震設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮曲率半徑對(duì)梁體位移、支座殘余位移和橋墩內(nèi)力的影響，再因地制宜選擇曲率半徑。

2、限位裝置

查閱資料發(fā)現(xiàn)限位裝置破壞的現(xiàn)象非常普遍。在地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)因限位裝置的參與改變了橋梁體系受力狀態(tài)，使橋梁下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和位移發(fā)生變化，因此，限位裝置僅作為構(gòu)造措施是不合理的;另外，忽略限位裝置與主梁的碰撞作用，因限位裝置及下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)則會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成不安全的影響因素，因此，設(shè)計(jì)限位裝置需要考慮橋梁結(jié)構(gòu)受力體系等相關(guān)問題。

3、摩擦系數(shù)

摩擦擺支座的摩擦系數(shù)對(duì)支座的阻尼性能有較大影響。不少文獻(xiàn)都展開了對(duì)摩擦擺支座摩擦副特性的研究，表明了溫度、壓力、滑移速度等因素對(duì)耐磨板摩擦系數(shù)的影響。這些研究表明精確地控制摩擦系數(shù)是困難的，但盡量清晰地探明各種因素對(duì)摩擦副摩擦系數(shù)的影響是有必要的;由于國(guó)內(nèi)外各個(gè)摩擦擺廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)摩擦擺支座的習(xí)慣或者設(shè)計(jì)應(yīng)用目標(biāo)不同，因而對(duì)兩個(gè)球面曲率取值不同。此外，石家莊鐵道大學(xué)黃宇辰[9]提出在順橋、橫橋不同情況下，隨摩擦系數(shù)增大，橋梁中跨結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力均增大、邊跨結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力增大或無明顯變化的研究結(jié)論。綜上所述，在高速鐵路橋梁的摩擦擺支座隔震設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)將梁體位移、鋼軌內(nèi)向變形和橋墩內(nèi)力變化結(jié)合起來綜合考慮，得出摩擦擺支座的摩擦系數(shù)不宜過高，也不宜過小的設(shè)計(jì)要求。

（四）應(yīng)用于高速鐵路橋梁的模擬分析

某高速鐵路的4×32m簡(jiǎn)支梁橋如圖5所示。墩高 H = 13m，直坡圓端形截面。橋址位于8度地震區(qū)，罕遇地震下地震峰值加速度為0. 38g，II類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期Tg = 0. 35s。以3號(hào)橋墩順橋向?yàn)槟Σ翑[支座的隔震研究對(duì)象，按上述原則確定摩擦擺裝置參數(shù)見表1，支座的布置如圖6所示[9]。

四、結(jié)語：

在高鐵日益發(fā)展的今天，高速鐵路大部分以橋代路與多地震帶之間的矛盾下，對(duì)比分析各類常用減隔震裝置，證明了摩擦擺支座應(yīng)用于高速鐵路橋梁能提高高鐵橋梁抗震性能的可能，以實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目標(biāo)。鑒于高速鐵路橋梁對(duì)抗震性能的要求較高，為盡可能減少頻發(fā)小地震對(duì)高速度鐵路橋的影響、提高強(qiáng)震下高鐵橋梁的抗震性能，本文提出以下三個(gè)建議：

（一）多遇地震下，通過設(shè)置抗滑螺栓及限滑塊使支座不發(fā)生擺動(dòng)，其中抗滑螺栓的剪斷力不低于制動(dòng)力與多遇地震下支座水平力的較大值。利用支座及下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度抗震，隔震前后橋墩控制截面的地震彎矩小于其初始屈服彎矩，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài);

（二）設(shè)計(jì)地震下，抗滑螺栓剪斷、摩擦擺支座發(fā)生擺動(dòng)，利用支座的擺動(dòng)隔震及摩擦耗能減震，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài);

（三）罕遇地震下，摩擦擺支座的功能與設(shè)計(jì)地震下相近相同，但驗(yàn)算時(shí)要求隔震前后橋墩控制截面的地震彎矩小于其等效屈服彎矩利用支座的擺動(dòng)隔震及摩擦耗能減震，結(jié)構(gòu)處于基本彈性狀態(tài)[10，11]。

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