串联式变刚度摩擦摆支座设计与验证.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.2(上)-44-工 业 技 术自从汶川大地震以来,我国对桥梁及建筑减震进行深入研究,目前,主要采用减、隔震的设计理念。减、隔震设计的基本原理是延长结构的震动周期以隔离地震能量并通过减震装置增加阻尼、吸收自下而上传递的部分地震能量以降低结构的地震反应,减轻地震损伤。当结构的震动周期延长时,可以使结构避开地震中幅值比较显著的分量,能避免共振现象的发生,减少结构的地震反应,但延长结构周期会增加结构的位移反应。国内相关减隔震装置规范对不同工况的装置性能考虑不够周全,有必要结合不同的功能需求,研发一款适应多工况的变刚度减隔震支座。1 支座构造设计1.1 国内外技术情况日本
2、道路桥示方书 同解说:耐震设计篇1倾向于将地震作用同时分布在桥梁各墩台,并通过支座的阻尼效果耗散地震能量,以避免结构之间留有较大的隔震缝隙,降低伸缩缝的设计选型难度。美国Guide Specifications for Seismic Isolation Design2采用上下限的方法计算减隔震桥梁的反应情况,通过取用不同的修正系数分别计算得到最大地震力作用和最大位移量。我国公路桥梁抗震设计细则3介绍了减隔震装置的性能要求和抗震验算,中华人民共和国住房和城乡建设部发布的城市桥梁抗震设计规范4补充规定“地震基本烈度为 6 度及以上地区的城市桥梁,必须进行抗震设计。”目前,国内规范对摩擦摆类减隔震
3、支座5的摩擦系数没有参照美标进行上下限分析,支座摩擦系数在不同环境及荷载作用下存在一定差异,对支座的减隔震效果有很大影响。石岩等对国内外隔震抗震相关规范进行详细分析6。1.2 新型支座设计理念1.2.1 常规支座摩擦性能在日常使用中,要求支座的滑动摩擦系数低,这样有利于适应梁体的伸缩变形。当地震时,需要的摩擦系数高,这样可以耗散地震能量,这 2 种工况对摩擦系数的要求迥异。目前,常规的摩擦摆减隔震支座并不能同时适应 2 种工况要求。1.2.2 材料摩擦系数摩擦系数受润滑方式、径向压力、滑动速度、温度以及湿度等方面的影响,不完全可控。1.2.3 变刚度支座理念减隔震时支座的偏心的位移量以及支座上
4、的竖向荷载P使桥梁墩、台承受附加的偏心弯矩P的作用,即P-效应。位移量 越大,墩、台承受的水平力越小,但是附加的偏心弯矩越大,支座的尺寸和墩、台顶面的尺寸也相应增加,给支座设计及安装带来不便,因此,有必要控制减隔震支座的最大位移反应。基于上述摩擦系数不完全可控、不同工况所需性能不同的问题,提出一种变刚度支座设计理念。该支座日常使用时通过低摩擦系数适应桥梁变形,当地震发生较大位移时,根据橡胶隔震支座的剪切变形效果实现阻尼耗能。日常工作时,支座沿上下支座板凹球面滑动摩擦,多遇地震时单摆结构隔震水平刚度小,罕遇地震位移量到达一定程度时阻尼刚度增加,2 种隔震结构串联。串联式变刚度摩擦摆支座是一种具有
5、不同刚度特性、不同减隔震结构的支座,即一种不同工况呈现刚度变化的减隔震支座。2 支座设计与试验验证2.1 支座结构及原理良好的减隔震支座性能是结构隔震设计的关键,隔震设计的目标为多遇地震隔断能量传递、罕遇地震控制隔震层变形和支座内力,而橡胶隔震支座7和摩擦滑板支座均只具有逐渐降低或单一的水平刚度特性,难以满足上述内容中不同阶段的刚度需求。因此,设计具有变刚度特性的减隔震支座以适应多遇地震和罕遇地震不同阶段的刚度需求,对实现最优的隔震效果具有十分重要的意义。串联式变刚度摩擦摆支座主要由上下支座板、阻尼球冠板和滑板等组成。当多遇地震时该支座主要靠阻尼球冠板与上、下支座板组成的球面滑动摩擦副摆动以及
6、阻尼橡胶层微小剪切变形共同起到一阶隔震作用,此时支座具有较小的水平刚度;罕遇地震或设计设定目标时,该支座靠阻尼球冠板中的橡胶剪切变形达到二阶隔震作用。此时,支座水平刚度大幅上升,实现了降低隔震层变形和上部结构整体位移的目标。支座不同工况下的运动状态如图 1 所示。串联式变刚度摩擦摆支座设计与验证张兴(河北宝力工程装备股份有限公司,河北 衡水 053000)摘 要:为使支座适应减隔震桥梁在日常使用、多遇地震以及罕遇地震等多种工况的不同需求,本文对国内外的减隔震技术进行分析,将滑动摩擦、单摆运动以及橡胶剪切阻尼结构进行有机结合,使支座在不同工况下具有不同的水平刚度,实现相应的减隔震效果。通过结构理
7、论设计、实体减隔震性能试验以及有限元分析,验证了该新型支座的减隔震性能和承载性能符合预期,其力学行为可控,实现了不同工况中隔震效果的协调性,避免了过大的位移反应给桥梁设计、施工造成的不利影响。关键词:桥梁工程;减隔震支座;变刚度;行为可控中图分类号:TU69文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.2(上)-45-工 业 技 术2.2 减隔震性能设计与试验为验证串联式变刚度摩擦摆支座的减隔震效果是否符合预期,本研究制作了 BSJZ-2.0-g100-R4 型支座进行实体试验,该支座设计竖向承载力为 2MN,一阶隔震位移量为 75mm,二阶隔震变形量为 25mm,支座总体隔震位移量为 100
8、mm,减隔震等效半径为 4m。试验支座的阻尼球冠板结构如图 2 所示,主要设计参数见表 1。表 1 阻尼球冠板结构参数项目设计值球面曲率半径/mm2052等效半径/mm4000橡胶层数5橡胶单层厚度/mm8夹层钢板层数4夹层钢板厚度/mm3夹层钢板直径/mm360阻尼橡胶层第一形状系数11.25阻尼橡胶层第二形状系数9试验设备使用 YJW-15000 型微机控制电液伺服动态压剪试验机,该设备可提供竖向试验压力 1500t、水平动态剪切力 200t、水平静态剪切力 300t、水平最大位移量600mm。除内部预设各类支座成品性能试验的操作程序外,还允许用户灵活地自定义程序,可满足目前桥梁及建筑规范
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