【摘" " 要】：為了實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與抗震設(shè)計(jì)模型吻合，通過(guò)對(duì)常規(guī)摩擦擺支座的數(shù)值分析及模型試驗(yàn)，揭示當(dāng)前固定摩擦擺與活動(dòng)型摩擦擺不能“同步擺動(dòng)”的工作狀態(tài)。速度鎖定型變曲率摩擦擺能合理控制支座在橋梁正常使用和不同水準(zhǔn)地震下的工作方式，達(dá)到基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，切實(shí)提高橋梁抗震性能，節(jié)約工程造價(jià)。

【關(guān)鍵詞】：摩擦擺支座；滯回性能；抗震設(shè)計(jì);橋梁

【中圖分類號(hào)】：U443.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）06-33-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.009

Performance-Based Seismic Design of Friction Pendulum Bridge

【Abstract】： In order to realizes that the actual working state of bridges coincides with the seismic design model ，through numerical analysis and model test of conventional friction pendulum bearings， it is revealed that the current working state of fixed friction pendulum and movable friction pendulum can not \"synchronously swing\" . Velocity-locked variable curvature friction pendulum can reasonably control the different working modes of bearings under the normal use of bridges and different levels of earthquakes， achieve the performance-based seismic design objectives， effectively improve the seismic performance of bridges and save engineering costs.

【Key words】： friction pendulum system; hysteretic behavior; seismic design；bridge

摩擦擺支座是利用上部結(jié)構(gòu)自身的重力使得上部結(jié)構(gòu)在摩擦力較小的滑動(dòng)圓弧面上滑動(dòng)，通過(guò)滑動(dòng)層之間的摩擦力對(duì)輸入的地震能進(jìn)行耗能，亦能減少向上部結(jié)構(gòu)傳遞的地震能量，所以具有保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的功能［1～2］。摩擦擺減隔震支座應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)上是比較成功的，一是建筑底部可按照支座承載能力布置多個(gè)支座，支座起始力要求較低；二是建筑結(jié)構(gòu)一般沒(méi)有水平向的相對(duì)溫度位移，可全部采用“固定型”支座，當(dāng)?shù)卣鹚搅朔鹗剂?，支座可基本?shí)現(xiàn)同步擺動(dòng)。

而橋梁為適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)溫度變形及混凝土收縮徐變等，往往僅在一聯(lián)中間或者靠近中間位置的墩頂設(shè)置固定支座，其余墩上均設(shè)置滑動(dòng)支座，這樣就存在固定墩和滑動(dòng)墩如何“協(xié)同工作”的問(wèn)題[3]。

本文通過(guò)對(duì)速度鎖定型變曲率摩擦擺式支座的理論分析和試驗(yàn)研究，指導(dǎo)摩擦擺支座連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與抗震設(shè)計(jì)模型的吻合，確保橋梁抗震性能及安全。

1 摩擦擺抗支座震性能研究

1.1 常規(guī)摩擦擺支座

1.1.1 構(gòu)造及工作原理

摩擦擺支座分為固定型（D=0）和活動(dòng)型（Dgt;0）。見圖1。

固定型摩擦擺只含有摩擦擺的擺動(dòng)副，活動(dòng)型摩擦擺含有活動(dòng)支座的滑動(dòng)副和摩擦擺的擺動(dòng)副。 在地震狀態(tài)下，由于滑動(dòng)副的存在，導(dǎo)致活動(dòng)型摩擦擺與固定型摩擦擺不能同步工作[4]。

1.1.2 實(shí)際工作狀態(tài)

1）無(wú)法確保 “E1彈性”的工作狀態(tài)。常規(guī)摩擦擺支座剪力開關(guān)為豎向承載力的5%～15%，實(shí)際工程中，經(jīng)常出現(xiàn)支座地震水平力超過(guò)其豎向承載力的15%乃至更多的情況，導(dǎo)致E1階段，支座進(jìn)入非線性狀態(tài)（震后剪力開關(guān)需要維修）。

2）E1階段“一墩獨(dú)大”。E1地震作用下，固定墩承擔(dān)地震力，活動(dòng)墩僅承擔(dān)支座摩阻力，不能充分發(fā)揮活動(dòng)墩水平承載潛力。

3）E2階段，活動(dòng)摩擦擺“只滑不擺”。數(shù)值分析結(jié)果表明，活動(dòng)型摩擦擺在實(shí)際地震計(jì)算模擬中主要起作用的是滑動(dòng)副，擺動(dòng)副基本沒(méi)有發(fā)揮作用。圖2。

4）軟弱場(chǎng)地易引起地基和橋梁共振。隔震結(jié)構(gòu)在遭遇長(zhǎng)周期脈沖型地震波激勵(lì)時(shí)易產(chǎn)生低頻共振的問(wèn)題。

1.2 速度鎖定型變曲率摩擦擺支座

1.2.1 構(gòu)造與工作原理

為了解決普通摩擦擺支座在橋梁工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題，在變曲率摩擦擺支座上安裝速度鎖定器，提出了一種復(fù)合型摩擦擺支座——速度鎖定型變曲率摩擦擺式支座。見圖3。

1）正常使用階段，速度鎖定器不工作，滿足正常使用狀態(tài)下的位移要求；E1地震作用下，速度鎖定器將活動(dòng)摩擦擺支座的上蓋與擺體瞬時(shí)鎖定，橋梁進(jìn)入多個(gè)橋墩一起“聯(lián)合抗推，共同抗震”的彈性抗震階段；E2地震作用下，速度鎖定器將活動(dòng)摩擦擺支座的上蓋與擺體繼續(xù)鎖定，與固定型摩擦擺支座同時(shí)打開設(shè)置于擺體與底座之間的支座剪力開關(guān)，橋梁進(jìn)入各支座“同步擺動(dòng)，聯(lián)合減震”的理想減隔震階段[5]。

2）剪力開關(guān)：綜合考慮橋梁縱橫向的抗震需求，合理控制剪力環(huán)的打開時(shí)機(jī)，橋梁縱橫向同時(shí)實(shí)現(xiàn)“E1彈性，E2減隔震”的性能目標(biāo)。

3）變曲率減震滑板：避免共振，耗能能力更強(qiáng)[6]。

1.2.2 抗震設(shè)計(jì)

選取工程上具有代表性的3種典型跨徑30 m+30 m+30 m、40 m+60 m+40 m、65 m+100 m+65 m進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1）橋梁增設(shè)工作開關(guān)。速度鎖定器使得多墩柱參與抗震，能有效減小開關(guān)水平力，降低設(shè)計(jì)難度。見圖4。

2）E1階段“各墩聯(lián)合抗推，共同抗震”。改變墩高H（調(diào)節(jié)自振周期T），4種場(chǎng)地類型，共計(jì)144個(gè)工況，得到速度鎖定器減震效率分布可以有效判斷橋梁設(shè)置速度鎖定器后的減震效率及適用性。見圖5。

A、B、C區(qū)非常適合布置速度鎖定器且鎖定器個(gè)數(shù)越多，減震效率越高。

3）E2階段“各支座同步擺動(dòng)，聯(lián)合減隔震”。選取48條地震波、3個(gè)分區(qū)、4種場(chǎng)地、3種跨徑，不同支座布置，共計(jì)432種工況。見圖6。

場(chǎng)地類別越高、地震動(dòng)峰值加速度越大，減震效果越好。

4）變曲率摩擦擺能避免共振，具有更高耗能作用。采用Abaqus軟件進(jìn)行模擬：構(gòu)件采用實(shí)體“3D Stress”單元；接觸對(duì)均采用“Surface-to surface contact”，切向接觸屬性采用“Penalty”摩擦函數(shù)。見表1。

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

采用目前世界上最先進(jìn)的MTS振動(dòng)臺(tái)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——同濟(jì)大學(xué)地震振動(dòng)臺(tái)。

模型設(shè)計(jì)、制作和地震激勵(lì)輸入嚴(yán)格按照相似理論進(jìn)行，相似常數(shù)為1/15，相似方程

式中：[SE]為材料彈性模量相似常數(shù)；[Sρ]為材料彈性密度相似常數(shù)；[Sα]為加速度相似常數(shù)；[Sl]為長(zhǎng)度相似常數(shù)。

根據(jù)相似方程式求出密度相似常數(shù)4.5；最后由相似量綱分析法確定其余相似常數(shù)，主要物理量的相似比常數(shù)見表2。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?×2 m連續(xù)梁；5種支座布置形式，共計(jì)53個(gè)試驗(yàn)工況。見表3。

2.2 試驗(yàn)分析

模型一、二均為常規(guī)摩擦擺橋梁布置形式，E1、E2工況下，僅固定摩擦擺發(fā)揮作用。 模型三在中墩加裝速度鎖定器后，在E1工況下固定墩地震力減少30%～40%。模型四在中墩和邊墩加裝速度鎖定器后， 在E1工況下固定墩地震力減少45%～60%。模型三在中墩加裝速度鎖定器后，在E2工況下固定墩地震力減少18%～25%。模型四在中墩和邊墩加裝速度鎖定器后，在E2工況下固定墩地震力減少28%～35%。變曲率摩擦擺支座較等曲率摩擦擺支座減震效果更好，地震力能減少8%～23%。見圖7。

3 結(jié)論

速度鎖定型變曲率摩擦擺支座能夠控制橋梁在正常使用及不同水準(zhǔn)地震作用下的工作性能，實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與抗震設(shè)計(jì)模型的吻合，達(dá)到摩擦擺橋梁基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rabiei M， Khoshnoudian F．Response of multistory friction pendulum baseisolated buildings including the vertical com-ponent of earthquakes[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2011，38（10）：1045-1059．

[2]Ray T ，Sarlis A A ，Reinhorn M A ， et al.Hysteretic models for sliding bearings with varying frictional force[J].Earthquake Engineering amp; Structural Dynamics，2013，42（15）：2341-2360.

[3]吳宜峰，李愛群，王浩．連續(xù)梁橋摩擦擺支座參數(shù)分析與優(yōu)化[J]．橋梁建設(shè)，2015，45（1）：20-25．

[4]夏修身，陳興沖，王?；?，等．剪力鍵對(duì)隔震橋梁地震反應(yīng)的影響[J]．地震工程與工程振動(dòng)，2012，32（6）：104-109．

[5]侯海彪，黃志毅，許明杰.成灌線連續(xù)梁速度鎖定支座的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2012，31（27）：136-138.

[6]鄧雪松，龔健，周云.變曲率摩擦擺隔震支座理論分析與數(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（1）：50-58.