帥昌俊

（武漢億緯儲能有限公司，武漢 430223）

0 引言

我國幅員遼闊，山川河流眾多，近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國修建了很多鐵路、橋梁及建筑，它們以不同的結(jié)構(gòu)形式跨越了很多地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，甚至是高烈度地震區(qū)域。橋梁和建筑是國家和人民的重大財產(chǎn)，而地震災(zāi)害是一種突發(fā)性、瞬時性的自然災(zāi)害，往往在很短的時間內(nèi)造成橋梁和建筑倒塌、人員傷亡。

國家已經(jīng)頒布了一系列的法規(guī)，在我國橋梁和重要建筑上，必須強(qiáng)制使用減隔震方法，保證結(jié)構(gòu)安全。減隔震技術(shù)是全世界都在推廣應(yīng)用的成熟高新技術(shù)之一，它的使用使得建筑在地震中不倒塌真正成為可能，使其成為減輕地震災(zāi)害最有效的手段之一。GB 50011-2016《抗震設(shè)計規(guī)范》中，也強(qiáng)調(diào)了隔震的重要性，隔震與消能減震設(shè)計可用于對抗震安全性和使用功能有較高要求或?qū)ｉT要求的建筑[1]。

現(xiàn)有的隔震系統(tǒng)中最常見的有高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座對高頻波的隔震效果較好，但在罕遇地震作用下，水平位移較大。鉛芯橡膠支座在罕遇地震作用下，水平位移較小，但是對于高頻波的隔震效果相對較差，且對環(huán)境的污染較為嚴(yán)重。摩擦擺支座（FPB）承載力高、阻尼比大、復(fù)位能力強(qiáng)，其出色的綜合性能使其在工程結(jié)構(gòu)中受到廣泛的關(guān)注。在實際工程中，對于一個大型的橋梁和建筑，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)要求和地震參數(shù)綜合運用各種減隔震技術(shù)，以達(dá)到最佳的抗震效果。

本文介紹了摩擦擺支座的原理、摩擦擺支座設(shè)計計算及校核、摩擦擺支座核心耐磨材料的選型及某型號的摩擦擺支座的試驗驗證，設(shè)計與試驗嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)EN 15129和標(biāo)準(zhǔn)EN 1337進(jìn)行，最后提出自己的看法，供相關(guān)設(shè)計人員討論與交流。

1 FPB的基本原理與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

橋梁和建筑等結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的降低可通過以下策略來實現(xiàn)：將結(jié)構(gòu)的自振周期轉(zhuǎn)移到加速度響應(yīng)較小的區(qū)域和耗散能量（阻尼），根據(jù)上述策略，通過檢查典型的加速度反應(yīng)譜圖，很容易理解抗震裝置的效果。由圖1可知，只要將橋梁自振周期延長至3～4 s或更長，就可以大大降低橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

圖1 地震加速度反應(yīng)譜

根據(jù)鐘擺的原理，摩擦擺支座迫使結(jié)構(gòu)按照自己的周期振蕩，摩擦擺支座的周期僅由鐘擺的半徑R和重力加速度g決定，它的周期不受質(zhì)量M的影響，它的原理如圖2所示。在實際工程中，摩擦擺支座是基于球面滑動表面和耐磨材料的相互運動，它滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15129給出的4項要求：1）它像球型支座一樣支撐橋梁和建筑結(jié)構(gòu)的重力；2）它通過滑動面提供橫向位移能力；3）它提供重新定心能力，當(dāng)被推至空檔位置時存儲勢能，并將其返回初始位置；4）它通過滑動面的摩擦提供能量耗散。

圖2 摩擦擺支座的原理

摩擦擺支座已經(jīng)運行在國內(nèi)的許多實際橋梁和建筑工程中，如港珠澳大橋、重慶朝天門來福士廣場、武漢的恒隆廣場等。摩擦擺支座有使用壽命長、產(chǎn)品性能不受環(huán)境影響、耐受火宅、隔震位移大、偏載無偏心、球面自動歸心、地震響應(yīng)及時等優(yōu)點，它將在減隔震支座領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

如表1所示，目前國內(nèi)企業(yè)通過自身的工程技術(shù)優(yōu)勢，將相應(yīng)的技術(shù)上升為國家標(biāo)準(zhǔn)和國家專利，代表了目前摩擦擺支座的核心技術(shù)，主要有洛陽雙瑞特種裝備有限公司等起草的標(biāo)準(zhǔn)JT/T 927和衡水寶力工程橡膠有限公司等起草的標(biāo)準(zhǔn)JT/T 852；武漢鑫拓力工程技術(shù)有限公司通過自身的技術(shù)優(yōu)勢編制了符合標(biāo)準(zhǔn)EN 15129的通用圖冊FPQZ，大大促進(jìn)了摩擦擺支座的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用；中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司根據(jù)工程中實際運用的需要創(chuàng)新地提出了各向異性的摩擦擺減隔震支座，使之成為國家標(biāo)準(zhǔn)，并申請了相應(yīng)的專利；中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司也起草了建筑上使用的摩擦擺標(biāo)準(zhǔn)，使得橋梁和建筑均有標(biāo)準(zhǔn)可依。

表1 國內(nèi)設(shè)計單位摩擦擺支座產(chǎn)品型號

雖然摩擦擺支座設(shè)計與應(yīng)用在國內(nèi)起步比較晚，但在工程實踐中設(shè)計的摩擦擺產(chǎn)品如百花齊放，大大促進(jìn)了摩擦擺技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，設(shè)計院與企業(yè)均對摩擦擺支座的運用進(jìn)行了創(chuàng)新，例如速度鎖定摩擦擺支座、UFP抗拉拔摩擦擺支座、拉索減震摩擦擺支座、防落梁摩擦擺支座、調(diào)高測力摩擦擺支座等。

2 FPB的結(jié)構(gòu)設(shè)計

摩擦擺支座主要的設(shè)計參數(shù)為豎向承載力、隔震半徑、摩擦因數(shù)、地震位移。為了準(zhǔn)確地得到這些參數(shù)，需要建立整橋的有限元分析模型，并進(jìn)行線性時程分析。我們一般通過反應(yīng)譜的方法計算出不同烈度、不同特征周期的摩擦擺支座隔震參數(shù)，其中最主要的是基于項目地區(qū)的地震加速度反應(yīng)譜來選擇合適的參數(shù)。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，摩擦擺支座的周期計算公式為

等效半徑計算公式為

式中：W為支座豎向載荷；R為等效半徑；SR為上球面球徑；R1為球冠轉(zhuǎn)動面曲率半徑；b為球冠高度；D為支座位移量；μ為支座的摩擦因數(shù)。

當(dāng)摩擦擺支座參數(shù)確定后，其等效剛度、等效阻尼比及支座回復(fù)力均可通過經(jīng)典公式計算出來,其載荷位移曲線如圖3所示。

圖3 載荷位移滯回曲線

摩擦擺支座由上球面鋼板、上球面耐磨板、球冠襯板、下球面耐磨板、下支座板組成，支座通過2個球面副提供承載、轉(zhuǎn)角和位移等功能。摩擦擺支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)摩擦擺支座功能的基礎(chǔ)，其重點有耐磨板材質(zhì)選擇、耐磨板壓力校核等。耐磨板是摩擦擺支座減震耗能的核心部件，必須保證支座的滑動與轉(zhuǎn)動功能，對于轉(zhuǎn)動耐磨板，其摩擦因數(shù)越小越好；對于滑動耐磨板，其干摩擦因數(shù)要大，熱穩(wěn)定性要好，線磨耗率要低，才能很好地滿足設(shè)計要求。目前工程設(shè)計中已采用的材料如表2所示。

表2 主要摩擦副材料性能參數(shù)表

目前國內(nèi)常用的耐磨材料主要有PTFE和UHMW-PE兩種材料，但這兩種材料均不適用于摩擦擺支座，主要因為在地震工況下，材料的承壓能力和溫度適用范圍不夠，因為摩擦擺支座摩擦耗能的過程，會使得耐磨材料溫度升高，溫度升高的時候，其抗壓強(qiáng)度就會降低，其曲線如圖4所示。同時，因為耐磨材料是非金屬材料，其與金屬摩擦的時候會有磨耗，磨耗性能會關(guān)系到支座的正常壽命和減隔震性能，經(jīng)過試驗，測得FLOWGO的線磨耗率為1.257 μm/km, 而在標(biāo)準(zhǔn)中，PTFE線磨耗率為15 μm/km，UHMW -PE的線磨耗率為5 μm/km，所以本文在摩擦擺支座項目中選用了FLOWGO材料。

圖4 不同材料的耐壓曲線圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15129和EN 1337，摩擦擺支座需要滿足接觸面壓σp≥0，則e≤L/8。其中：e為總偏心率；L為投影區(qū)域的半徑。本文的摩擦擺支座結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)計的輸入?yún)?shù)如表3所示。

圖5 摩擦擺支座結(jié)構(gòu)圖

表3 摩擦擺支座主要參數(shù)表

式中：fk為滑動耐磨板的抗壓強(qiáng)度，取180 MPa（FLOWGO材料在溫度T<35 ℃時fk=220 MPa，35 ℃

3 FPB的試驗驗證

隨著摩擦擺技術(shù)在國內(nèi)運用越來越廣泛，國內(nèi)企業(yè)對試驗設(shè)備也越來越重視，表4為世界范圍內(nèi)試驗機(jī)的性能參數(shù)。

表4 主要試驗機(jī)性能參數(shù)表

根據(jù)以上的研究方法，以型號FPQZ-6000-SX-e200-R3.39為例驗證設(shè)計方案。該摩擦擺支座參數(shù)上文已說明，其減隔震性能試驗按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15129進(jìn)行。在支座設(shè)計載荷下進(jìn)行滯回性能試驗，峰值速度為Ved=2π·f·D。其中，f 為隔震頻率，即隔震周期的倒數(shù)[6]。經(jīng)計算，速度值為Ved=341 mm/s，試驗結(jié)束后拆開支座觀察，耐磨材料完好，各零件無可視變形及損壞。試驗中時間與力的關(guān)系如圖6所示，時間與位移的關(guān)系如圖7所示，試驗得到的滯回曲線如圖8所示，滯回曲線飽滿，耗能效果明顯。

圖6 時間與力的關(guān)系圖

圖7 時間與位移關(guān)系圖

圖8 試驗滯回曲線

4 結(jié)論

1）對現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)設(shè)計的摩擦擺產(chǎn)品類型、摩擦副材料及工程試驗室進(jìn)行總結(jié)，基本上反映了摩擦擺支座設(shè)計與試驗的核心資源，為業(yè)內(nèi)人員提供參考。未來企業(yè)在摩擦擺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指引下，做好成套的通用圖冊，從而推進(jìn)摩擦擺支座的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2）需要做更多的試驗研究，特別是摩擦副的試驗研究和支座整體性能試驗研究，從而對現(xiàn)有摩擦擺行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善和補(bǔ)充[1]；PTFE和UHMW-PE材料在高溫動載試驗時有熔融的現(xiàn)象，表現(xiàn)不佳，建議面向新的工程塑料（如聚酰胺、滌綸樹脂及本文中提到的達(dá)克綸材料）做更加深入的研究。因此，在實際工程項目中，摩擦擺項目不僅需要理論設(shè)計校核，也更需要做試驗驗證。

3）摩擦擺支座在結(jié)構(gòu)上需進(jìn)一步創(chuàng)新，以適應(yīng)工程實踐中越來越多的復(fù)雜情況。摩擦擺支座有單曲面、雙曲面、三曲面等形式[2-4]，兼顧了摩擦擺支座的轉(zhuǎn)動、滑動、位移性能。目前摩擦擺支座周期都是固定的，而在近斷層常伴有長周期脈沖型地震波，容易與隔震結(jié)構(gòu)發(fā)生低頻共振。變曲率的摩擦擺支座周期可以隨著位移的變化而改變，這是未來摩擦擺支座技術(shù)的一個發(fā)展方向[5]，各向異性摩擦擺支座XFPB的滑動面就是橢球面，順橋向和橫橋向的支座剛度和阻尼特性不一樣，目前已經(jīng)在工程中實際運用，滿足了復(fù)雜多變的橋梁工況，這也是變曲率摩擦擺支座的一種形式。