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《摩擦单摆支座的设计与减隔震性能分析》zhj
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,结合必威体育精装版材料科学的发展,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水平侧移
图1 摩擦单摆简化计算模型
摩擦单摆水平力公式为:
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:
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:
进而还可以得出其自振周期等效为:
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:
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2。
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密西西比河I-40大桥Benicia-Martinez 大桥科迪亚克临岛大桥
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
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:Ag=0.2g地区,D=60mm;Ag=0.3g地区,D=80mm;Ag=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
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