彭文禮
(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)
地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害現(xiàn)象,其造成的經(jīng)濟(jì)損失不容忽視,地震發(fā)生后橋梁倒塌、交通切斷、救災(zāi)困難、隨之次生災(zāi)害加劇,人類面對(duì)地震之后的災(zāi)區(qū)心急如焚,卻無計(jì)可施。一次次慘痛的教訓(xùn)提醒橋梁工程師,橋梁抗震設(shè)計(jì)非常重要[1-2]。摩擦擺支座(Friction pendulum bearing,F(xiàn)PB)是一種良好的減震、隔震裝置,其特點(diǎn)是承載力高、造價(jià)低、易施工、易維護(hù)[3-5],應(yīng)用非常廣泛,如土耳其博盧高架橋,共使用了536個(gè)摩擦擺抗震加固;日本的石川縣馬加拉建筑公司實(shí)驗(yàn)室,采用的是雙凹型摩擦擺支座,曲率半徑為2 500 mm;我國北京經(jīng)海九路跨通惠排干渠橋應(yīng)用了摩擦擺式減隔震支座[6]。本文采用Midas Civil分析軟件,以靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋(100+168+100)m為工程依托,分析不同參數(shù)下摩擦擺式支座的減震效果為橋梁摩擦擺式支座的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
常見的支座有板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座以及摩擦擺式支座。傳統(tǒng)的摩擦擺支座本質(zhì)也是摩擦阻尼的一種支座,下支座板是一個(gè)凹球面,利用鐘擺原理來延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期,進(jìn)而減小地震力的作用。其構(gòu)造如圖1所示,摩擦擺支座的力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
圖1 摩擦擺支座構(gòu)造圖
圖2 摩擦擺支座力學(xué)簡(jiǎn)圖
摩擦擺支座的主要參數(shù)包括支座滑道半徑以及支座摩擦系數(shù),其中摩擦系數(shù)是最為重要的一個(gè)參數(shù)。由于速度滑動(dòng)較低時(shí)摩擦系數(shù)較小,且接觸點(diǎn)黏著效果較強(qiáng),因而靜態(tài)摩擦較大,但在滑動(dòng)時(shí),不銹鋼的表面上會(huì)附著一層極薄的聚四氟乙烯,這層聚四氟乙烯有高度的導(dǎo)向性與晶體性,速度較低時(shí),切向的摩擦力大于剪力。摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而增大,當(dāng)速度達(dá)到引起地震的速度時(shí),荷載作用下能夠產(chǎn)生大量的熱,溫度升至某一值后,聚四氟乙烯將發(fā)生局部的融化,摩擦力也會(huì)大幅度下降。聚四氟乙烯的粘彈性以及其大量遷移從而引起摩擦力的增加,當(dāng)速度增加時(shí),需要更大的剪切力來克服增加的粘度。當(dāng)剪力超過聚四氟乙烯的晶體之間的力時(shí),聚四氟乙烯分子將發(fā)生遷移。此時(shí),隨著速度的增大,摩擦力增加比較緩慢,這可能是因?yàn)榫鬯姆蚁﹥?nèi)部應(yīng)變率小于附著在不銹鋼表面薄層應(yīng)變率[7]。
其中:D為水平位移,mm;N為為正壓力,kN;W為豎向荷載,kg;μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù),f為摩擦力,kN。且
(1)
FRcosθ-WD-fR=0
(2)
(3)
因此摩擦擺支座的水平力可以變形為回復(fù)力與摩擦力之和。當(dāng)θ很小時(shí),上式可以簡(jiǎn)化為:
(4)
(5)
則支座剛度:
(6)
摩擦擺支座的等效滯回模型如圖3所示:
圖3 摩擦擺支座荷載位移滯回曲線圖
其中:Dy為屈服位移,mm;Ki為初始剛度,kN/mm;Dd為極限位移,mm;Kfps為擺動(dòng)剛度,kN/mm。
根據(jù)滯回模型,可以得到支座的等效剛度Keff與等效滯回阻尼ξeff如下表達(dá)式所示:
(7)
(8)
該橋梁工程全長(zhǎng)1.089 km,其中黃河大橋816 m,主橋長(zhǎng)度368 m,跨度為(100+168+100)m,引橋全長(zhǎng)約440 m,主橋橋梁全寬36.5 m。場(chǎng)址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g,相應(yīng)的地震烈度為Ⅷ度,地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,設(shè)計(jì)洪水頻率為100年一遇,設(shè)計(jì)水位為1 394.61 m。
7號(hào)主橋墩中支座為固定支座,邊支座為單向滑動(dòng)支座,6號(hào)、8號(hào)及9號(hào)中支座為單向滑動(dòng)支座,邊支座為雙向滑動(dòng)支座。主墩橫橋向支座間距為1 050 mm,過渡墩橫橋向支座間距為1 200 mm,橋梁支座布置如圖4所示。
圖4 橋墩支座布置圖
本文采用Midas civil軟件來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。全橋主梁與墩柱以受壓受彎為主,故主梁采用彈性梁?jiǎn)卧獊砟M,拉索采用只受拉單元,全橋共3 591個(gè)節(jié)點(diǎn),3 444個(gè)梁?jiǎn)卧?8個(gè)只受拉單元。全橋模型如圖5所示。
圖5 靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋全橋有限元模型圖
為研究不同摩擦系數(shù)對(duì)隔震效果的影響,本文取用位移速度慢時(shí)的摩擦系數(shù)分別為0.03、0.04、0.05、0.06、0.07來進(jìn)行研究。
根據(jù)工程資料,本文所選取的橋型位于8度烈度區(qū),Ⅱ類場(chǎng)地。根據(jù)地震安全評(píng)估報(bào)告選取了1940,El Centro Site, 180 Deg;1952, Taft Lincoln School, 339 Deg;以及1971, San Fernando,159 Deg 3條地震波。
橋梁地震反應(yīng)分析方法采用時(shí)程反應(yīng)法。本文定義減震率[8]如下公式所示:
×100%
(9)
橋墩是橋梁的主要受力構(gòu)件。地震作用下主要關(guān)心受力構(gòu)件,因此選取3個(gè)評(píng)判指標(biāo):墩底最大彎矩,墩底最大剪力以及墩頂?shù)奈灰?,限于篇幅,本文僅討論了主橋墩8號(hào)墩的內(nèi)力及位移,圖6、7、8分別為3條地震波作用下不同摩擦系數(shù)下8號(hào)墩底彎矩、剪力、頂位移的減震率圖。
圖6 3條地震波作用下不同摩擦系數(shù)的彎矩減震率圖
圖7 3條地震波作用下不同摩擦系數(shù)的剪力減震率圖
圖8 3條地震波作用下不同摩擦系數(shù)的位移減震率圖
由上圖可以看出3條地震波的作用下,8號(hào)墩底內(nèi)力以及墩頂位移減震效果相當(dāng)可觀。
當(dāng)摩擦系數(shù)在0.03~0.05時(shí),減震率隨著摩擦系數(shù)的增大而增大;當(dāng)摩擦系數(shù)在0.05~0.07時(shí),減震率隨著摩擦系數(shù)的增大而減小,墩底彎矩減震率在71%~81%,墩底剪力在56%~67%之間,墩頂位移在69%~79%之間。這一變化規(guī)律,可在摩擦擺支座的自身特性中進(jìn)行解釋,根據(jù)公式(3)~(8)可知,支座擺動(dòng)剛度與摩擦系數(shù)無關(guān),但是支座等效剛度在變化,其隨著摩擦系數(shù)增大而增大,且滯回曲線面積也比較大,說明支座的耗能能力較高;同時(shí)在等效剛度變大的情況下,支座的隔能能力下降。因此必然存在一個(gè)最優(yōu)的摩擦系數(shù),能使隔振能力以及耗能能力同時(shí)達(dá)到理想狀態(tài),使得減隔震效果最佳。圖9即可描述這一現(xiàn)象,本文位移速度慢時(shí)的最優(yōu)摩擦系數(shù)為0.05。
圖9 摩擦系數(shù)與減隔震性能的關(guān)系圖
摩擦擺支座在橋梁應(yīng)用非常廣泛,其減震效果也非常明顯,但是不同摩擦系數(shù)作用下的減震情況不盡相同,因此摩擦系數(shù)是摩擦擺支座設(shè)計(jì)的重要參數(shù),應(yīng)根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)摩擦擺式支座參數(shù)。在面對(duì)地震時(shí),摩擦擺式支座的應(yīng)用具有重要意義[8-9]。