《摩擦单摆支座的设计与减隔震性能分析》zhj.doc

1摩擦单摆支座的设计与减隔震性能分析钟洪军 （成都亚佳工程新技术开发有限公司，成都 610031）[摘 要 ] 随着中国高速铁路的蓬勃发展及世界各地强烈地震的频发，桥梁减隔震技术及产品迎来了其推广应用的最佳机遇摩擦单摆支座以摩擦单摆系统理论为依据，结合最新材料科学的发展，通过特有的滑动面延长了结构自振周期，通过耐磨、耐高温、摩擦系数稳定的摩擦材料可靠地耗散了地震能量在建筑和桥梁上，国外已有使用摩擦单摆支座进行结构抗震的大量案例，国内则寥寥无几通过对 TJGZ-FPB 系列摩擦单摆支座理论、设计及测试的详细叙述，阐明了其材料、结构特点及测试注意事项；通过对新建长（沙） —昆（明）铁路客运专线山岭坡 1 号大桥进行非线性时程分析，证明设计合理的摩擦单摆支座对桥墩的减震率通常在 40%以上建议用摩擦单摆支座替代一般球型钢支座并在桥梁上对其进行大力推广[关 键 词 ] 桥梁 减隔震技术； 摩擦单摆支座； 摩擦材料； 非线性时程分析； 减震率长期以来，世界各国普遍采用的结构抗震技术是利用结构构件的强度、刚度及塑性变形能力来抵抗地震力实践证明，这种抗震设计方法存在以下不足：（1）结构构件尺寸较大，材料用量多。

由此可造成工程造价的增加，并影响建筑物的美观、实用性2）抗震效果不尽如人意从国内外一些大地震可以看出，传统的抗震结构实际安全贮备不高，强烈地震后破坏严重3）震后经济损失很大地震作用下，即便结构构件不损坏或失效，非结构构件及建筑物内部设备等的破坏也会十分严重在当今社会，这种损失不可低估4）不能够满足特殊结构的要求如核设施、高风险化工厂、急救中心、国防建筑、高精密设备存储地、博物馆等，它们的安全等级特别高或是对振动有特别严格的要求1972 年，美籍华人姚治平最先提出了土木工程振动控制的概念，其包括主动控制、被动控制、智能控制等[1]该理论建立在减少、耗散或重分布作用于结构的地震力，而不是增强主体结构的强度、刚度等参数的基础之上，是由“抗”到“控”的防震减灾观念的重大转变1 摩擦单摆系统理论简介摩擦单摆系统(Friction Pendulum System，FPS)是由Zayas 提出的一种隔震系统其通过特有的圆弧滑动面延长结构自振周期和自复位，并通过摩擦面材料摩擦耗能在国内，周锡元、李大望等在 FPS 方面有比较深入的研究分析 [1-6]，提出了结构振动的二阶微分方程组 [2]，进行了振动台试验 [5]，并一致得出了经过合理设计的摩擦摆系统能够显著改善结构的地震反应，有效控制结构水平侧移的结论。

图 1 摩擦单摆简化计算模型摩擦单摆水平力公式为：\* MERGcosgncosxWDFR&EFORMAT (1)式中 W——上部结构竖向荷载；D——水平摆动距离；R——滑动面曲率半径；θ ——质量块摆角；μ ——摩擦系数（下同） ；——符号函数，表达式如下：sgn&\* MERGE1,0FORMAT (2)准确地说，式（1）所得微分方程及其解相当复杂（见文献[2]） 但结合相关理论及工程实际，当 <5°时，式（1）可以简化为：\* MERGsgnWDFR&EFORMAT (3)2进而还可以得出其自振周期等效为：\* M2π()emDRTkgERGEFORMAT (4)由此可知，摩擦单摆自振周期与上部结构质量无关，这正是其性能稳定、安全可靠的重要原因另外，其等效阻尼比表达式如下：\* MERGEFORM2π/DRAT (5)以 μ =0.03，D=0.08m，R=1.5m 为例， ζ =0.229由此可知，摩擦单摆的等效阻尼比较大，耗能效果预期较高相应的力-位移滞回曲线如图 2600-400-2000200400600-0.12 -0.08 -0.04 0.00 0.04 0.08 0.12图 2 简化的摩擦单摆力-位移滞回曲线2 摩擦单摆支座应用现状以 FPS 理论为基础的支座在国内外已有不少应用案例。

摩擦单摆支座在桥梁上的应用案例有美国的密西西比河 I-40 大桥、加州 Benicia-Martinez 大桥、科迪亚克临岛大桥，加拿大的金耳大桥，罗马尼亚的布加勒斯特环城公路桥以及中国的荆岳长江公路大桥、包西铁路通道黄河特大桥、苏通长江大桥引桥等；在建筑上的应用案例更多（除中国外） ，其中 2009 年底在土耳其伊斯坦布尔建成的世界上最大抗震候机楼最为典型（可抗 8 级地震，估计可抗地震烈度在 8-10 度） 中国现有的以 FPS 理论为基础的支座主要有中国船舶工业总公司七二五研究所生产的“双曲面球形减隔震支座” [7]及成都亚佳工程型技术开发有限公司的“TJGZ-FPB 摩擦单摆支座 ”相关产品已有应用案例，但为数不多，归结原因主要有以下几个方面：（1）相关理论还未深入人心，设计及建设单位对此理解不够2）产品性能还未得到公认，经受过大地震检验的减隔震产品还不多3）自身价格相对偏高，有时还会较大地增加整个工程的造价（如建筑上可能会为因使用减隔震产品而增加一个隔震层） 4）安装布置有困难，特别是在高烈度地区铁路桥梁上使用位移需求较大的减隔震产品时3 摩擦单摆支座的设计国内某型号的摩擦单摆支座设计简图如图 3 所示。

该支座水平向设计位移较大，适合用于连续梁但该支座转动面半径偏大，转动灵活度受到一定的影响同时该类支座的摩擦面材料为 PTFE， μ 要求小于 0.03试验测试表明， μ 实际值可能小于 0.01，故耗能作用很低，在地震作用下的水平位移需求可能较大图 3 国内某型号摩擦单摆支座简化图由于多种原因，摩擦单摆支座应用在铁路桥梁上的案例还不多为此，成都亚佳工程新技术开发有限公司在吸收世界闻名的支座设计企业——意大利 ALGA S.P.A.公司 ——先进技术的基础上，结合中国规范研制出了适合中国铁路桥梁的 TJGZ-FPB 系列摩擦单摆支座（以下简称 TJGZ-FPB 支座） 下文就将以此类支座为例，以期起到抛砖引玉传播科学的目的图 4 TJGZ-FPB 固定型支座数字模型TJGZ-FPB 支座经过了科学严密的论证并吸取了国外实践经验，设计时注重从以下方面入手：（1）实用性——“用得上”铁路桥梁与公路桥梁相比，具有上部荷载大，梁、墩横桥向宽度小的特点，支座一般都较大；另外减隔震类支座一般需要“以位移换减震率” ，故减隔震支座水平面内外观尺寸可能较大，这就有可能出现支座安装不上的现象（特别是在高烈度地震地区） 。

针对铁路桥梁常用简支梁的特点，TJGZ-FPB 系列支座的水平滑动位移 D 与地震动峰值加速度 Ag 有如下对应关系：A g=0.2g 地区，D=60mm；A g=0.3g 地区，D=80mm；A g=0.4g 地区，D=100mm由此设计出来的支座可以很好地满足桥梁的实际情况减隔震支座在满足抗震需求的同时还必须满足线路3正常运营这一前提条件，即要求在常规外荷载（如常遇地震力、列车制动力）下，桥梁具有足够的刚度为此，TJGZ-FPB 支座仍然分为固定型、单向型、多向型几种类型，分别对应于常规支座的固定型、单向型和多向型（在设计地震力下三种支座则均变为活动性支座） 2）安全性——“放得心”上述支座水平滑动位移 D 已经包含了一定的的安全系数，保证支座满足抗震要求但与此同时固定型和单向型支座仍然设置了固结于下板的“凸块” （见图 5） ，以防止支座意外失稳经过精心选材和多次试验的“保险销”可以保证固定型和单向型支座在常规荷载下保持固定性或导向性；在设计地震力下“保险销”及时剪断，保证各支座发挥减震耗能作用图 5 TJGZ-FPB 系列固定型支座内部构造示意（3）先进性——“讲科学”首先，TJGZ-FPB 支座以先进的 FPS 理论为依据，与一般抗震支座相比，具有先天性优势。

结合实桥进行非线性分线性后证实了其对铁路桥梁的减震率其他隔震支座很难超越（详见后文分析） 再有，支座设计时借鉴了国外较成熟的技术，并仔细研究了国内外同类产品的应用情况及效果，取长补短，最终成型其三，结合材料科学的发展，支座设计时精心选材如选用 Q345B 刚才作为主体，可使支座小巧而可靠；保险销一般选用 10.9 级螺栓，并设置了“凹槽” ，以保证设计地震作用下及时脆性剪断，实现减震耗能目的；选用国外最新研制的 XLIDE 和 HOT SLIDE 材料分别作为转动面和滑动面摩擦材料——XLIDE 板摩擦系数小且耐磨性明显强于 PTFE 板，可保证支座自由转动；HOT SLIDE 板 μ 稳定可控（取值范围 0.01~0.2） 、耐高温，可以保证支座在地震作用下性能稳定图 6 XLIDE 及 HOT SLIDE 实物图最后，支座设计时坚持理论联系实际的原则各摩擦摆支座均添加了严密的防尘罩，防止施工及其他不可控因素造成的尘渣污染滑动面，影响支座的滑动性能；同时对支座的原材料及成品都要进行必要的各种实验4）耐久性——“防豆渣”TJGZ-FPB 支座将转动与滑动功能分离（分别附于两个不同曲率半径的球面上） ，可以保证支座在平时自由转动（此时不磨损滑动面材料） ，因此既满足了铁路正常运营的需求又可满足支座抗震性与耐久性的要求。

支座不使用易老化的橡胶作为主体材料，也没有易疲劳的部件，因此其性能稳定、寿命更长以墨西拿海峡公铁两用跨海大桥（跨度 3300m）为例，每年支座相对滑动行程将超过 2000m摩擦材料若采用 PTFE，需要每 5 年一更换，而采用 XLIDE、HOT SLIDE，则可25 年以上一更换5）经济性——“重实惠”如前所述，传统减隔震产品由于造价太高等原因，很难大面积推广TJGZ-FPB 支座的最大亮点之一就是其造价与一般球型钢支座相当（如若不以最常见的桥梁通图为参照，其重量可能还会比一般球型钢支座轻不少）主要原因归结如下：TJGZ-FPB 支座良好的减震性可以使得水平向受力大为减小（理论上可减小 70%）——考虑正常运营的要求，固定型 TJGZ-FPB 支座支座设计水平承载力大体为 0.5W·Ag，而一般固定型抗震支座的则为 1.5W·Ag——故承受水平力的部件用钢量可急剧减小，抵消了因水平向滑动需求而增加的用钢量；另一方面，TJGZ-FPB 支座结构简单，因此加工成本并不会明显比一般球型钢支座高4 摩擦单摆支座的测试摩擦单摆支座与球型钢支座有相似之处，故其测试内容和方式也有重叠的部分但摩擦单摆支座在其基础上增加了大位移滑动面，故必须增加对其性能影响重大的动态摩擦系数测试等。

活动挡块固定凸块保险销4主要测试项目主要包括：（1）摩擦材料摩擦系数测试（要求转动面 XLIDE 板 μ <0.03，滑动面HOTSLIDE 板 μ 与设计值误差不超过±10%） ；（2）支座竖向承载力测试（要求竖向变形小于总高的 1%） ；（3）支座转动能力测试；（4）慢速力-位移滞回曲线测试；（5）快速动态测试前三者试验过程参见国家标准《球型支座技术条件》（GBT-17955-2000） 慢速力- 位移滞回曲线测试可以综合反映支座的静摩擦系数、屈后刚度、等效阻尼比等快速动态测试主要是为了检验支座滑动面摩擦系数及材料的拉压强度的热稳定性TJGZ-FPB 支座前四个测试项目在南车株洲电力机车研究所有限公司新材料检测中心进行实验显示，支座各项指标均满足要求图 7 竖向承压试验-150-100-50050100150-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80图 8 试验所得力-位移滞回曲线摩擦单摆支座在水平向快速运动的同时还会带动支座产生竖向位移（引起竖向力变化） ，要求试验设备对力的变化能够快速响应，因此快速动态测试难度很高现在国内还不能够进行真正意义上的快速动态测试，故该实验在欧洲实验室（帕维亚大学）进行。

测试结果证明支座的热稳定性符合要求图 9 欧洲实验室实验设备图 10 动态温度场5 结合实桥隔震性能。