摩擦摆式抗震支座在现浇连续梁中的应用

刘小军

(山西省交通科学研究院，山西太原 030006)

我国是一个强震多发国家，地震发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡多、灾害严重，这些地震灾害，特别是近年发生的汶川大地震、青海玉树大地震等，给我们带来了惨痛的教训。与此同时，桥梁作为生命线系统工程中的重要组成部分，一旦损毁、中断便等于切断了地震区的生命线，次生灾害将十分严重，经济损失无疑将大大加剧。受到这些地震灾害的教训以后，基于桥梁抗震设计的结构控制技术开始在我国桥梁工程界得到日益重视，逐步开展了桥梁减隔震设计及研究工作。对于地震作用，传统的结构设计采用的对策是结构抗震，即主要考虑为结构提供抵抗地震作用的能力。但是在某些情况下，依靠结构自身来抵抗地震作用显的非常困难，需要付出很大的经济代价，因此就需要寻求更为有效的抗震手段。摩擦摆支座就是基于抗震要求而研究出的一种新型抗震支座，摩擦摆支座隔震消能原理是利用滑动面的设计延长结构的振动周期，以大幅度减少结构因地震作用而引起的放大效应，通过支座的滑动面与滑块之间的摩擦来达到消耗地震能量［1］。隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制，阻尼由动摩擦系数来控制。此外，其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢复原位［2］。目前，国内有关摩擦摆支座的研究和应用还很少，本文以一座四跨连续梁桥为研究对象，结合土木工程通用有限元分析软件Midas通过非线性时程方法分析地震力作用下桥梁使用普通盆式橡胶支座和摩擦摆支座(FPB)对桥梁下部结构受力性能的影响，探讨其减隔震特性和隔震效果。

1 工程概况

本项目桥跨布置共有三联，本文以第二联为模型进行计算分析，跨径布置形式为(20+2×25+20)m，上部结构采用现浇连续梁，下部采用矩形墩、柱式墩、桩基础。场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0．20g，设计地震分组为第一组。该匝道桥场地的20 m之内的场地土类型按中软土考虑，20 m以下的按中硬土考虑，场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为B类。

2 基本模型

本桥依据《公路桥梁抗震设计细则》6．3条建立全桥空间杆系模型，计算软件为Midas Civil2010。第二联的有限元计算模型示意图见图1，其自振周期及相应振型列于表1。

图1 有限元计算模型

表1 自振特性一览表

3 输入地震波

采用三角级数法合成地震波，时程反应分析时输入的3条地震波，其中两条为规范反应谱人工合成的Ⅲ类场地地震波，一条为调整后的天津强震记录(见图2～图4)。

图2 第1条人工地震波（W ave-1）

图3 第2条人工地震波（Wave-2）

4 普通盆式支座弹性时程反应分析

4．1 普通盆式支座布置方案

6号与10号墩为联间过渡墩，8号墩为制动墩。支座的平面布置示意图见图5。

4．2 时程分析结果

在纵向横向地震作用下，其他桥墩受力规律基本一致，本文仅对8号桥墩进行分析反应，结果列于表2，表3。

由表2，表3可以看出，三条地震波作用下，当设置普通盆式橡胶支座无论是顺桥向还是横桥向墩底都会产生较大的弯矩和位移，如果采用该弯矩进行配筋计算，拟定的直径1．6 m墩身根本无法配筋，必须加大墩身截面尺寸。而如果加大截面尺寸无论从美观还是空间要求上都不是合理选择。

图4 天津强震记录（Wave-3）

图5 普通盆式支座平面布置

表2 顺桥向时程反应(一)

表3 横桥向时程反应(一)

5 摩擦摆支座隔震的非线性时程分析

5．1 摩擦摆支座的布置方案

为准确反映桥梁的上下部结构、支座、质量分布及阻尼特性，摩擦摆支座的平面布置示意图见图6。

图6 摩擦摆隔震支座平面布置

5．2 摩擦摆支座设计技术参数

摩擦摆支座的主要设计参数，列于表4。依据表4中的各参数进行摩擦摆支座的技术参数设计。

表4 主要设计参数

摩擦摆支座的曲率半径R=2．5 m，则支座的隔震周期T=，为隔震前结构第1周期(1．57 s)的2倍。采用隔震技术后桥梁隔震周期延长，从弹性反应谱定性分析，结构响应降低。摩擦摆支座的摆动刚度:Kfps=W/R，W为隔震支座承受的荷载，取摩擦系数μ=0．05，水平力Fy=μW。

5．3 摩擦摆支座隔震非线性时程分析结果

非线性时程反应结果列于表5，表6。

表5 顺桥向时程反应(二)

表6 横桥向时程反应(二)

6 摩擦摆支座隔震效果分析

8号制动墩顺桥向、横桥向的摩擦摆支座隔震效果列于表7，表8。隔震率=(普通支座-FPB)/普通支座3 100%。

表7 8号墩顺桥向隔震效果

表8 横桥向隔震效果

由表7可以看出，当前设计的摩擦摆支座(FPB)隔震方案能有效地减小8号制动墩的顺桥向墩顶位移及墩底弯矩，拟定的墩身截面尺寸采用构造配筋即可满足抗弯要求，表中所列3条地震波下的顺桥向隔震率虽然有一定的离散性，在82%～92%之间变化，但隔震效果显著，发挥了较好的减震效果。

7 结语

通过对该桥设置摩擦摆支座的隔震分析研究，可以得出摩擦摆支座(FPB)隔震方案能有效地减小墩顶位移及墩底弯矩，为结构优化带来了较大空间，同时其自有的自恢复特性，对于地震烈度较高的城市桥梁不失为最佳选择。

这些年来，由于地震灾害的频发，许多桥梁在地震中倒塌，对桥梁地震的研究分析一直是一个重点关注的课题，但由于人类对地震认识的局限性，所有的抗震分析和计算也是在逐步的积累，从失败中汲取经验。尤其位于地震烈度高的区域，桥梁抗震计算是必不可少的。

［1］范立础，王志强．桥梁减隔震设计［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［2］陈永祁，杨风利，刘 林．摩擦摆隔震桥梁的设计及应用 ［J］．工业建筑，2009(S1):256-261．