李海冬

天津市市政工程设计研究院 天津 300051

减隔震设计顾名思义就是通过桥梁上某些构件的耗能来减小地震力，从而保护整个桥梁不至产生不可控制的破坏。支座作为承上启下的构件最适合承担桥梁结构的减隔震功能。目前市场上较为常见的应用于桥梁工程的减隔震支座主要有：橡胶减隔震支座、摩擦摆支座、软钢阻尼支座、粘滞阻尼支座等[1]。其中摩擦摆支座以其承载力高，减震隔效果好等优点被国内外桥梁设计师广泛采用。

1 摩擦摆支座的工作原理及减震效率

1.1 摩擦摆支座工作原理

摩擦摆支座是一种利用钟摆原理实现减隔震功能的支座，最早来源于20世纪80年代的美国[2]，主要通过滑动界面的摩擦来实现减震功能，通过圆弧界面的摆动延长梁体周期实现减震功能。摩擦摆支座的工作原理简图如图1所示。

大部分的减隔震支座都可以用力和位移的关系曲线进行模拟，摩擦摆支座的圆弧滑动面能够限制摩擦支座的位移，从而能够使桥梁结构在受到地震作用后恢复原位。以摩擦摆支座的减隔震作用原理为依据，可以按照荷载—位移滞回曲线模型来模拟摩擦摆隔震支座的力学特性，如图2所示。

1.2 摩擦摆支座减震效率

减震效率就是用来描述将地震内力、地震位移等效应减小程度的能力，通常是用来描述减隔震装置的减震能力[3]。这里我们提出一种计算减震效率的方法。我们将桥梁结构分为两种状态，第一种状态是结构未采用任何减隔震措施，此种状态下地震力的大小完全取决于结构本身的自振周期，结构处于线弹性工作状态，这种状态下结构地震效应的计算可以通过反应谱法来进行；第二种状态是结构采用了减隔震支座——即摩擦摆，此种状态下地震力的大小由结构本身刚度与摩擦摆支座的刚度共同决定，由于摩擦摆支座具有上述的荷载—位移滞回曲线特性，结构处于非线性状态，此时的地震效应计算需要采用时程分析法进行。我们把第一种状态下的地震效应称为Sw，第二种状态下的地震效应称为Sj。根据前文所述的减震效率的概念，便可得出减震效率A的计算方法，见公式（1）：

2 抗震设计模型的建立

2.1 结构形式选择

选取某快速路跨越相交道路一联40+60+40m变截面连续箱梁作为本次计算的结构形式，连续箱梁断面全宽26m，支点处梁高2m，跨中梁高4m，纵断面呈2次抛物线变化。桥梁结构支座采用摩擦摆支座，边墩支座承载力9000kN，中墩支座承载力30000kN；墩柱采用双柱式矩形墩柱，墩柱尺寸2.2x2.2m，两墩柱之间采用系梁连接，中墩墩柱高度根据计算需要选取6m和12m两种；基础采用承台群桩基础，中墩承台尺寸10.3x10.3m，桩基础采用3排3列Ф1.5m钻孔灌注桩。

2.2 计算模型的建立

采用MidasCivil计算软件建立全桥有限元模型，全桥有限元模型如图3所示。对于支座，借助Civil软件的摩擦摆模块，可以模拟出摩擦摆支座的结构模型。对于基础，根据m法的计算原理，可以将桩基础作为6自由度一般支撑来考虑，这样既简化了运算量，又可以在计算精度上满足要求。对于荷载，地震波采用人工生成的形式，按照工程所处地区，本桥桥位处，基本地震烈度8度，基本峰值加速度0.2g，场地土类别为Ⅱ类，特征周期分区值为0.40s。

3 计算结果分析

3.1 计算工况

隔震周期是摩擦摆支座最重要的参数之一[4]，直接影响地震效应的大小。为了量化隔震周期造成的影响大小，我们分别针对上文提出的2种墩高，计算5种隔震周期下不同的地震响应，周期取值分别为：2s、2.5s、3s、3.5s、4s。根据各工况下的地震响应，由公式（1）可分别计算出对应的减震效率。

3.2 计算结果

经过计算我们分别得出了2种墩高，5种隔震周期时各工况的墩底弯矩的减震效率和墩底剪力的减震效率计算结果，详见图4、图5。

由上两图可以看出，不同的隔震周期下，摩擦摆支座对地震作用的减震效率是不同的，且随着隔震周期的增大，减震效率逐渐增高。究其原因，是因为隔震周期增加结构整体周期延长，可以有效地延缓地震力的发挥，也就是起到了减隔震的作用。而且从图中可以看出，弯矩效应和剪力效应的变化规律基本一致。

此外，对比图4和图5可以发现，当墩高相对较矮（6m）时，隔震周期对减震效率的影响比较缓慢；而当墩高相对较高（12m）时，隔震周期对减震效率的影响较为显著，足以见得，摩擦摆支座隔震周期的选择，对于高墩柱比较敏感。

4 结论

（1）本文提出了一种考量摩擦摆支座工作能力的方法，即采用减震效率来量化摩擦摆支座在实际地震工况下的工作能力。

（2）通过模型计算分析，可以得出：选取较大的隔震周期可以提高摩擦摆支座的减震效率，通俗地讲，就是可以更多的减掉地震力，让结构更加安全；对于墩高较矮的墩柱，采用提高隔震周期的方式来提高减震效率作用甚微，而对于墩高相对较高的墩柱，采用提高隔震周期的方式来提高减震效率效果较为显著。因此，对于今后采用摩擦摆减隔震支座的桥梁结构，在进行支座参数选择时，可以通过提高隔震周期的方式来减小地震力，以保证结构的安全。