引言:
摩擦擺支座(FPB)作為結構地震保護系統的一種隔震裝置,近年來在美國進行大量研發并得到較廣泛的應用。摩擦擺支座主要由金屬材料制作而成,這種裝置具有效果好、構造可靠、經久耐用的特點,得到國外抗震工程界認可和工程師們的青睞。在通用結構有限元分析程序中,如SAP2000和ETABS,專門提供了模擬摩擦擺支座的非線性連接單元,采用摩擦擺支座進行橋梁隔震設計已被美國各種抗震規范和規程所采納。摩擦擺隔震裝置最早 由美國EPS(EavthquakeProtectionSystems)公司于1985年發明,該公司多年來致力于新型隔震裝置的研發和生產,已經為上百座橋梁、建筑、大型儲油罐等工業工程生產并安裝了上萬套摩擦擺隔震裝置,并經歷了地震和大風的檢驗驗證。
目前,國內有關摩擦擺支座的研究和應用還很少,在蘇通大橋引橋的隔震設計中采用了雙曲面球形摩擦支座,這種支座與美國EPS公司生產的摩擦擺支座存在一定差異:主要區別在于蘇通大橋的摩擦擺上下兩個球面與座板之間滑動面的構造和材料的不同,據我們了解它設有加工精細的不銹鋼凹面滑道,以及擁有美國宇航局專利的、便于控制摩擦系數的滑道內襯復合材料。當然,國內產品與EPS產品最大的不同在于:國內現階段還無法做到對每個產品像美國那樣進行嚴格的高速動力測試和檢驗。
1 摩擦擺支座的性能
摩擦擺隔震裝置安置在結構與基礎或上部結構與下部結構之間,它能減小傳遞到結構中的側向力和水平振動,使結構在地震下免受破壞。摩擦擺支座通過球形滑動表面的運動使上部結構發生單擺運動,隔震系統的周期和剛度通過選取合適的滑動表面曲率半徑來控制,阻尼由動摩擦系數來控制。
擺裝置提供的恢復力使支座能依靠其承托的重力重新回到中心位置,并使地震響應可以預測和控制。由于摩擦擺隔震裝置的剛度中心自動與隔震結構的質心重合,因而能在最大的范圍內消除結構的扭轉運動。摩擦擺支座的周期、豎向承載力、阻尼比、側向位移和抗拉力等指標可以進行單獨控制,這種特性便于設計人員對隔震系統進行優化設計。圖1為摩擦擺支座的截面示意圖,支座各組成部分的名稱如圖所示。其中,滑動面朝上的支座一般用于基底隔震;而滑道面朝下的支座一般用于層間隔震。
在強震作用下,對于橋梁隔震,摩擦擺支座可大大地降低下部結構(橋礅、橋臺)向上部主體結構的傳遞,從而將上部結構保護起來;對于建筑基底隔震,摩擦擺支座可以使傳遞到結構的地震力降低3～5倍。
EPS生產的摩擦擺隔震裝置的基本參數及取值范圍為: 周期:1～5s 最大位移值:60in(1524mm) 動摩擦系數:3%～20% 等效阻尼:10%～40% 單個支座最大的豎向承載力:300000001b(13608t) 抗拉載荷:20000001b(907.2t) 標準支座半徑:（39,61,88,120,156,244in(990.6,1549.4,2235.2,3048,3962.4,6197.6mm)
1.1 摩擦擺支座的組成材料
在美國,EPS生產的摩擦擺支座的加工工藝、原材料、質量控制和質量檢驗都按EPS標準執行。摩擦擺的組成材料及力學性能指標的要求在表1中列出。
1.2 摩擦擺支座的力學性能
當地震引起的支座剪力小于摩擦力時,摩擦擺隔震裝置不發生滑動,在其支撐下的隔震結構與普通結構相同;當地震引起的支座剪力大于摩擦力時, 摩擦擺隔震裝置發生位移。
摩擦擺支座的襯墊具有理想的摩擦-速度特性,可以滿足橋梁的溫度變形和地震運動要求。當摩擦擺支座的摩擦系數小于或等于4%時,可滿足橋梁結構溫度變形的要求;若要抵抗橋梁地震運動,需要采用較高的動摩擦系數。圖2為摩擦擺支座的滯回模型,摩擦擺支座的受力情況如圖3所示。
在支座的設計中,幾個關鍵參數的物理意義為:μ為動摩擦系數;R為滑動面的半徑;Ki為初始剛度,Ki=μW/Dy：Dy為屈服位移;Dd為極限位移; Kfps為摩擦擺支座的擺動剛度,Kfps=W/R,因此, 摩擦擺系統的周期可表示為:
式中,摩擦擺系統的周期與被支撐建筑物重量無關的特性與其支承的重量無關,這是FPB的一大特 色。支座的本質特征是非線性的,可用等效線性化的方法得到支座的等效線性剛度和等效黏滯阻尼比,其表達式為:
在SAP2000和ETABS中,摩擦擺支座用非線性連接單元模擬,該單元具有雙向雙線性滯回模 型。程序可進行雙向地震下摩擦擺隔震結構的動力分析。
1.3 摩擦擺支座的測試
在FPB支座的動力測試方面,美國國家地震工 程研究中心(NCEER)、加州大學地震工程研究中心(EERC)和加州大學圣地亞哥分校(UCSD)等科研 機構對摩擦擺支座進行了大量試驗和嚴格的測試,包括支座力學性能測試和安裝FPB的隔震結構的振動臺試驗等。有圖4為美國EPS公司專門用于測試摩擦擺支座力學性能的試驗臺,圖4b為試驗中的摩擦擺支座。隔震支座只有通過嚴格的動力測試,才能確保隔震支座具有良好的動力特性,而目前國內還不具備對隔震支座進行高速動力測試的條件。
支座的可靠性需要幾百次嚴格測試,經過多次循環加載測試結果顯示摩擦擺隔震裝置的"力-位移"滯回曲線很穩定,基本不發生退變。對已經使用了10年的支座重新進行測試,發現其滯回特性與10年前支座使用前進行的測試基本不發生變化,再 次證明了FPB支座的耐久性、穩定性和可靠性。對 足尺模型進行的測試表明在整個位移范圍內摩擦擺隔震裝置均保持足夠的強度,并有較高的安全系數。表2中列出了EPS的產品從1986到2002年之間所經過的各種試驗和測試鑒定。充分地驗證了它的隔震效果和未來使用中的可靠性。
2 美國規范中的隔震設計
隔震設計的核心是隔震裝置,隔震設計發展實際上主要取決于是隔震裝置的發展,因此,對隔震產品進行嚴格的測試和鑒定是至關重要的。各種隔震裝置的質量如何,當然是工程師們最關心的。為此,美國土木工程學會(ASCE)下屬的高速公路創新技術評估中心(HITEC)，在20世紀90年代組織了大型聯合鑒定測試。EPS的摩擦擺隔震支座參與了這次鑒定測試,并被證明是性能可靠的值得信賴的隔震產品;它不僅成為日后使用者選擇產品的重要依據,更重要的是成為后來編制相關規范的參考。
鑒于不同的設計地震水準下隔震支座的位移需求不同,EPS最近還研發出了"三水準"型的摩擦擺裝置,該裝置包含內外兩套擺裝置,通過對各滑動面采用不同摩擦系數的內襯材料,可使得隔震裝置分別具有如圖5所示的三種極限位移能力,從而與“三水準”設計地震水平相適應。
在美國與隔震設計有關的、最有代表意義的規 程是AASHTO所編制的“隔震設計指南” 。2006年,美國土木工程學會頒布的“建筑和其他結構的最小設計荷載”規范中專門用一章篇幅介紹了隔震系統的設計方法和要求。
這兩本規范和規程中,最重要的是:明確規定了 隔震系統的設計審查和試驗鑒定的辦法。這是隔震系統能以發展應用的保證。也正從這時起,EPS的摩擦擺支座開始在美國、日本和歐洲等地方得到了 大量的應用。近20座橋梁已經安置或將要安置這一成功的結構保護系統。
3 摩擦擺支座在橋梁工程中的應用
近年來,摩擦擺支座在美國和歐洲的橋梁減隔震設計中得到廣泛的應用。跨歐洲的土耳其BoluViaduct高速公路高架橋梁,在1999年7.2級Duzce地震中,原設計使用的鋼屈服耗能裝置和盆式橡膠支座在地震中嚴重破壞。美國土木工程學會專門派代表團進行考察鑒定,并協助重新設計,最終采用摩擦擺隔震裝置對震后橋梁進行加固。根據 墩高的變化和跨越斷層的位置,采用了3種規格的摩擦擺支座:1)在不太高的墩上采用滑道半徑大、位移能力為±700mm的支座;2)在高墩上采用滑道半徑小、位移能力為±700mm的支座;3)在斷層兩側的墩上采用滑道半徑大、位移能力為±900mm的支座。最終該橋共使用了536個摩擦擺支座,設計水平位移能力有1.5倍以上的安全儲備。所有的支座均按美國設計規范的要求進行了原型動力檢測。
Benicia-Martinez橋是舊金山海灣地區生命線 工程之一,在1989年LomaPrieta地震中遭受了嚴重破壞。震后該橋的采用摩擦擺支座和阻尼器進行加固。它是目前世界上采用隔震技術進行改造的最大橋梁,如圖6所示。該橋的設計地震為強烈的近場地震動,近場斷層和深層土場地影響產生的地面運動譜加速度超過7g。在該橋每個混凝土橋墩的頂部安裝兩個摩擦擺支座,支座的直徑為4m,每個重達18t,能承受22226kN設計恒載和活載,水平位移能力為135cm。摩擦擺裝置在加州大學圣地亞哥分校進行了動力仿真試驗,測試速度高達1.524m/s。
位于加州福爾松的美洲河橋是世界上最大的新建隔震橋梁之一,如圖7所示。該橋共安裝了48個摩擦擺隔震支座。隔震支座可以保證橋梁在設計地震作用下處于彈性工作,而橋梁結構不會損壞。與傳統的抗震設計方法相比,采用隔震支座節省了一百萬美元的建設費用,費用減少的原因是灌注樁尺寸的減小。非隔震橋梁的橋墩地震力需求大概是其強度的兩倍,因此,橋梁在設計地震作用下會發生結構破壞。隔震支座的水平位移能力為0.254m,承受的恒載和活載高達17780kN。支座安裝時留出預位移以便適應混凝土收縮和預應力后張法施工產生的變形。
密西西比河上的I-40大橋是孟斐斯地區的交通、商業和防護要道,它位于新馬德里地震區的東南邊界,19世紀美國中部有3次最強的地震發生在這個區域。該橋采用摩擦擺隔震支座進行加固,可以抵御新馬德里斷層上的7級地震。采用摩擦擺隔震支座后,這座40年的舊橋在經歷強烈地震后仍能正常使用。與傳統的加固方案相比,采用摩擦擺隔震支座的設計方案節省了1600萬美元的建設成本。成本降低是通過最大限度的降低上部結構、橋墩和基礎的強度來實現的。I-40橋采用的摩擦擺支座是世界上承載能力最大的隔震支座,它可以承受88984kN的豎向荷載,如圖8所示。
到2005年,美國EPS公司已經在世界各地完成了50多個大型結構工程,其中有近20座大型橋梁。安置在加州幾座橋梁上的摩擦擺隔震系統已經在加州頻繁的地震中經受了考驗。
4 摩擦擺支座與鉛芯橡膠支座的性能對比
鉛芯橡膠支座目前是工程中應用較為廣泛的隔震裝置,與鉛芯橡膠支座相比,摩擦擺動支座具備許 多優良的性能。兩種支座的性能對比見表3所示。
摩擦擺支座比橡膠支座具有更高的承載力、更大位移能力和更好的耐久性。支座的高度低、強度 高、豎向剛度大,使得安裝費用降低。在老化、低溫、高溫、扭轉和非扭轉條件下,摩擦擺支座均具有明顯的優勢。支座內襯為自潤滑復合材料,這種材料在航空工業領域中已成功地使用了40多年。它的性能不受時間和溫度的影響,而且具有超強的耐高溫性能。摩擦擺支座的可靠性和穩定性已由美國地震實驗室通過大量的試驗驗證了。
5 小 結
本文對摩擦擺支座在國外橋梁工程中的設計和應用情況進行了綜述,對其組成材料、力學性能及嚴格性能測試試驗進行了較詳細介紹,并將摩擦擺支座的力學性能與鉛芯橡膠支座進行了對比。 實踐表明,摩擦擺支座是一種力學性能良好的隔震裝置,能夠有效降低地震力,節省施工費用,降低工程總造價。摩擦擺支座在美國和歐洲的橋梁工程中有著廣泛應用,正越來越受到工程師們的青睞。摩擦擺支座在橋梁工程中的應用,對于提高橋梁結構的抗震性能,提高橋梁工程建設的經濟性具有重要意義。
