摩擦擺式支座減隔震性能研究

0國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用進展摩擦波動減小是一種衰減地震裝置，由聚氟復(fù)合材料和不銹鋼板組成，以降低摩擦的副摩擦能耗。由于其具有構(gòu)造簡單、良好的自回復(fù)、抗平扭能力,同時施工簡單,耐久性好等優(yōu)點,因而受到了國外學(xué)者廣泛深入研究,近年來已被成功應(yīng)用于建筑、橋梁、化工、電力等重大工程項目的抗震減災(zāi)中。國內(nèi)學(xué)者正逐步將其引入國內(nèi)橋梁的抗震設(shè)計中。我國是個地震多發(fā)的國家,在8度及以上的高烈度區(qū)域建設(shè)橋梁,地震作用成為控制設(shè)計的關(guān)鍵因素。將摩擦擺支座引入到高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計不失為一種可靠的解決方案。然而該類支座在強震下滯回耗能能力及模型參數(shù)的選取對減震效果的影響成為設(shè)計中亟待解決的問題。本文首先介紹摩擦擺式支座工作原理,然后通過對高烈度區(qū)某高架橋梁的支座參數(shù)分析,研究討論支座參數(shù)對減隔震效果的影響及選取支座參數(shù)的原則和方法。1中間層滑塊的設(shè)計FPS支座類型繁多,總體而言可分為上部滑動式(頂板底面為滑動面如圖1所示)和下部滑動式(底板頂面為滑動面如圖2所示)兩種。工作原理大致相同:中間層滑塊由高強抗壓材料構(gòu)成,滑塊的圓弧形滑動面在下部結(jié)構(gòu)發(fā)生地震位移的時候,由于上部結(jié)構(gòu)的重力及底板滑動面的圓弧形設(shè)計,總能產(chǎn)生向心的回復(fù)力,同時在整個地震位移過程中滑塊和滑動面之間通過摩擦耗散能量。另一方面由于滑塊的轉(zhuǎn)動面與上蓋板的關(guān)節(jié)接觸方式,上部結(jié)構(gòu)總能保持水平狀態(tài)。為了防止摩擦擺支座在正常運營中出現(xiàn)有害振動,需要設(shè)置抗震栓。從而保證支座在正常運營中實現(xiàn)限位功能,在地震作用下,抗震栓剪斷,支座滑動實現(xiàn)減隔震功能。2摩擦結(jié)構(gòu)的減小振動傳遞中的衰減地震2.1情況2:邊墩支護參數(shù)本文以某地區(qū)地震基本烈度為8度,水平向設(shè)計地震動加速度峰值為0.3g的某高架橋為工程背景,取橋?qū)挒?5.5m,跨徑組合為3×30m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為研究對象,利用SAP2000軟件進行分析。橋梁橫斷面見圖3所示。中墩支座噸位15000kN,邊墩支座噸位7000kN。為了準確分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),模型考慮邊界聯(lián)及樁土作用的影響。計算模型如圖4所示。模型中摩擦擺支座采用考慮動軸力耦合的FP模型模擬。支座慢速摩擦系數(shù)取為0.01,0.02,0.03,0.04,0.05;支座曲率半徑取為3m,5m,7m,9m。將他們進行組合,得到20組不同的支座設(shè)計參數(shù)。參考相關(guān)文獻,支座快速摩擦系數(shù)近似取相應(yīng)慢速摩擦系數(shù)的2倍(下文摩擦系數(shù)未特殊說明均指慢速摩擦系數(shù))。根據(jù)該工程橋梁安評報告,工程場地設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜取為:其中,Amax為設(shè)計地震動峰值加速度;β(T)為設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜。且有:表1為地表水平地震動參數(shù)計算值(5%阻尼比)一覽表。本文選用安評報告提供的50a2%的水平和豎向天然地震波進行分析(見圖5~圖7)。2.2不同參數(shù)對墩梁和相對位移的影響橋梁結(jié)構(gòu)減隔震效果的評判指標主要有墩梁相對位移及下部結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力等。使用減隔震裝置后,如果能在地震作用下控制下部結(jié)構(gòu)基本不損傷的同時,墩梁相對位移也能控制在可以接受的范圍之內(nèi),那么其減隔震效果是最為理想的。減隔震支座屬非線性連接單元,所以模型計算采用非線性時程分析方法進行分析。高烈度區(qū),豎向地震作用通常很大。圖8給出了摩擦系數(shù)0.03,曲率半徑5m的支座滯回曲線,由于該類支座的摩擦耗能能力與動軸力有關(guān),當(dāng)支座軸力變化較大時,該類支座的耗能能力將會受到較大影響。從圖8可以看出,高烈度區(qū)摩擦擺式減隔震支座滯回耗能能力明顯受到豎向地震作用的影響。墩梁相對位移亦受到豎向地震作用的影響。如圖9所示。由圖9可知,考慮豎向地震,墩梁相對位移增加14%~23%。因此,高烈度區(qū),豎向地震作用較大,采用摩擦擺式支座的減隔震橋梁應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。通過計算各種參數(shù)組合下的模型,可以得到不同參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)減隔震效果。圖10為不同參數(shù)對立柱內(nèi)力的影響。圖11為不同參數(shù)對墩梁相對位移的影響。圖12為不同參數(shù)對梁梁相對位移(伸縮縫縫寬)的影響。通過對計算結(jié)果的分析,可以得出下述結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值隨支座參數(shù)的變化規(guī)律:(1)對于相同的滑動面曲率半徑,墩底內(nèi)力隨著摩擦系數(shù)增大先減小后增大,存在一個合理的摩擦系數(shù)使得下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對較小。相同摩擦系數(shù)條件下,曲率半徑越大,墩底內(nèi)力越小。(2)對于相同的滑動面曲率半徑,墩梁相對位移隨著摩擦系數(shù)增大迅速減小,摩擦系數(shù)超過0.03后位移減小幅度趨緩。相同摩擦系數(shù)條件下,曲率半徑越大,墩梁相對位移反而減小。為了進一步考察曲率半徑對墩梁相對位移的影響,圖13和圖14為摩擦系數(shù)0.01下曲率半徑分布為3m和5m的支座在不同地震波作用下的滯回曲線。由圖13和圖14可知,在其他條件相同的情況下,曲率半徑對墩梁相對位移的影響隨著地震波的不同顯示出相反的規(guī)律。該現(xiàn)象說明曲率半徑對墩梁位移的影響并不總是正相關(guān),其受到地震波頻譜的影響。由此可見摩擦系數(shù)對于控制墩梁位移起著關(guān)鍵作用,而受到地震波頻譜的影響,曲率半徑對墩梁位移的控制并不盡如人意。因此,支座曲率半徑不易取值過小,同時,曲率半徑過大,可能導(dǎo)致震后殘余位移較大。(3)梁梁相對位移控制梁縫預(yù)留寬度,對于相同的滑動面曲率半徑,梁梁相對位移總體上隨著摩擦系數(shù)增大先減小后增大。相同摩擦系數(shù)條件下,曲率半徑越大,梁梁相對位移總體上越小。支座摩擦耗能增加結(jié)構(gòu)的阻尼,當(dāng)摩擦系數(shù)越大,對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)影響越明顯,導(dǎo)致梁梁相對位移變大。支座曲率半徑直接影響其恢復(fù)力剛度,根據(jù)文獻可知,曲率半徑越大,結(jié)構(gòu)自身周期對隔震周期的影響越小,梁梁相對位移越小。當(dāng)曲率半徑增大到一定程度后,其影響大幅減弱。3擺式支護結(jié)構(gòu)參數(shù)分析本文首先闡述了雙曲面球型減隔震支座的工作原理和力學(xué)特性,在此基礎(chǔ)上對某高烈度區(qū)采用摩擦擺式隔震支座城市高架橋梁標準段進行減隔震效果分析。結(jié)果表明:(1)高烈度區(qū),豎向地震作用一般較大,摩擦擺式支座的耗能能力將受到較大影響,建議該區(qū)域采用此種支座的減隔震橋梁,計算分析時考慮豎向地震作用。(2)摩擦擺式支座屬于摩擦型耗能器,摩擦系數(shù)為其關(guān)鍵參數(shù)