引言:

摩擦摆支座(FPB)作为结构地震保护系统的一种隔震装置,近年来在美国进行大量研发并得到较广泛的应用。摩擦摆支座主要由金属材料制作而成,这种装置具有效果好、构造可靠、经久耐用的特点,得到国外抗震工程界认可和工程师们的青睐。在通用结构有限元分析程序中,如SAP2000和ETABS,专门提供了模拟摩擦摆支座的非线性连接单元,采用摩擦摆支座进行桥梁隔震设计已被美国各种抗震规范和规程所采纳。摩擦摆隔震装置最早 由美国EPS(EavthquakeProtectionSystems)公司于1985年发明,该公司多年来致力于新型隔震装置的研发和生产,已经为上百座桥梁、建筑、大型储油罐等工业工程生产并安装了上万套摩擦摆隔震装置,并经历了地震和大风的检验验证。

目前,国内有关摩擦摆支座的研究和应用还很少,在苏通大桥引桥的隔震设计中采用了双曲面球形摩擦支座,这种支座与美国EPS公司生产的摩擦摆支座存在一定差异:主要区别在于苏通大桥的摩擦摆上下两个球面与座板之间滑动面的构造和材料的不同,据我们了解它设有加工精细的不锈钢凹面滑道,以及拥有美国宇航局专利的、便于控制摩擦系数的滑道内衬复合材料。当然,国内产品与EPS产品最大的不同在于:国内现阶段还无法做到对每个产品像美国那样进行严格的高速动力测试和检验。

1 摩擦摆支座的性能

摩擦摆隔震装置安置在结构与基础或上部结构与下部结构之间,它能减小传递到结构中的侧向力和水平振动,使结构在地震下免受破坏。摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动,隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制,阻尼由动摩擦系数来控制。

摆装置提供的恢复力使支座能依靠其承托的重力重新回到中心位置,并使地震响应可以预测和控制。由于摩擦摆隔震装置的刚度中心自动与隔震结构的质心重合,因而能在最大的范围内消除结构的扭转运动。摩擦摆支座的周期、竖向承载力、阻尼比、侧向位移和抗拉力等指标可以进行单独控制,这种特性便于设计人员对隔震系统进行优化设计。图1为摩擦摆支座的截面示意图,支座各组成部分的名称如图所示。其中,滑动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层间隔震。

在强震作用下,对于桥梁隔震,摩擦摆支座可大大地降低下部结构(桥礅、桥台)向上部主体结构的传递,从而将上部结构保护起来;对于建筑基底隔震,摩擦摆支座可以使传递到结构的地震力降低3～5倍。

   EPS生产的摩擦摆隔震装置的基本参数及取值范围为: 周期:1～5s 最大位移值:60in(1524mm) 动摩擦系数:3%～20% 等效阻尼:10%～40% 单个支座最大的竖向承载力:300000001b(13608t) 抗拉载荷:20000001b(907.2t) 标准支座半径:（39,61,88,120,156,244in(990.6,1549.4,2235.2,3048,3962.4,6197.6mm)

1.1 摩擦摆支座的组成材料

在美国,EPS生产的摩擦摆支座的加工工艺、原材料、质量控制和质量检验都按EPS标准执行。摩擦摆的组成材料及力学性能指标的要求在表1中列出。

1.2 摩擦摆支座的力学性能

当地震引起的支座剪力小于摩擦力时,摩擦摆隔震装置不发生滑动,在其支撑下的隔震结构与普通结构相同;当地震引起的支座剪力大于摩擦力时, 摩擦摆隔震装置发生位移。

摩擦摆支座的衬垫具有理想的摩擦-速度特性,可以满足桥梁的温度变形和地震运动要求。当摩擦摆支座的摩擦系数小于或等于4%时,可满足桥梁结构温度变形的要求;若要抵抗桥梁地震运动,需要采用较高的动摩擦系数。图2为摩擦摆支座的滞回模型,摩擦摆支座的受力情况如图3所示。

在支座的设计中,几个关键参数的物理意义为:μ为动摩擦系数;R为滑动面的半径;Ki为初始刚度,Ki=μW/Dy：Dy为屈服位移;Dd为极限位移; Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度,Kfps=W/R,因此, 摩擦摆系统的周期可表示为: 

式中,摩擦摆系统的周期与被支撑建筑物重量无关的特性与其支承的重量无关,这是FPB的一大特 色。支座的本质特征是非线性的,可用等效线性化的方法得到支座的等效线性刚度和等效黏滞阻尼比,其表达式为:

在SAP2000和ETABS中,摩擦摆支座用非线性连接单元模拟,该单元具有双向双线性滞回模 型。程序可进行双向地震下摩擦摆隔震结构的动力分析。

1.3 摩擦摆支座的测试

在FPB支座的动力测试方面,美国国家地震工 程研究中心(NCEER)、加州大学地震工程研究中心(EERC)和加州大学圣地亚哥分校(UCSD)等科研 机构对摩擦摆支座进行了大量试验和严格的测试,包括支座力学性能测试和安装FPB的隔震结构的振动台试验等。有图4为美国EPS公司专门用于测试摩擦摆支座力学性能的试验台,图4b为试验中的摩擦摆支座。隔震支座只有通过严格的动力测试,才能确保隔震支座具有良好的动力特性,而目前国内还不具备对隔震支座进行高速动力测试的条件。

支座的可靠性需要几百次严格测试,经过多次循环加载测试结果显示摩擦摆隔震装置的"力-位移"滞回曲线很稳定,基本不发生退变。对已经使用了10年的支座重新进行测试,发现其滞回特性与10年前支座使用前进行的测试基本不发生变化,再 次证明了FPB支座的耐久性、稳定性和可靠性。对 足尺模型进行的测试表明在整个位移范围内摩擦摆隔震装置均保持足够的强度,并有较高的安全系数。表2中列出了EPS的产品从1986到2002年之间所经过的各种试验和测试鉴定。充分地验证了它的隔震效果和未来使用中的可靠性。

2 美国规范中的隔震设计

隔震设计的核心是隔震装置,隔震设计发展实际上主要取决于是隔震装置的发展,因此,对隔震产品进行严格的测试和鉴定是至关重要的。各种隔震装置的质量如何,当然是工程师们最关心的。为此,美国土木工程学会(ASCE)下属的高速公路创新技术评估中心(HITEC)，在20世纪90年代组织了大型联合鉴定测试。EPS的摩擦摆隔震支座参与了这次鉴定测试,并被证明是性能可靠的值得信赖的隔震产品;它不仅成为日后使用者选择产品的重要依据,更重要的是成为后来编制相关规范的参考。

鉴于不同的设计地震水准下隔震支座的位移需求不同,EPS最近还研发出了"三水准"型的摩擦摆装置,该装置包含内外两套摆装置,通过对各滑动面采用不同摩擦系数的内衬材料,可使得隔震装置分别具有如图5所示的三种极限位移能力,从而与“三水准”设计地震水平相适应。

在美国与隔震设计有关的、最有代表意义的规 程是AASHTO所编制的“隔震设计指南” 。2006年,美国土木工程学会颁布的“建筑和其他结构的最小设计荷载”规范中专门用一章篇幅介绍了隔震系统的设计方法和要求。

这两本规范和规程中,最重要的是:明确规定了 隔震系统的设计审查和试验鉴定的办法。这是隔震系统能以发展应用的保证。也正从这时起,EPS的摩擦摆支座开始在美国、日本和欧洲等地方得到了 大量的应用。近20座桥梁已经安置或将要安置这一成功的结构保护系统。

3 摩擦摆支座在桥梁工程中的应用

近年来,摩擦摆支座在美国和欧洲的桥梁减隔震设计中得到广泛的应用。跨欧洲的土耳其BoluViaduct高速公路高架桥梁,在1999年7.2级Duzce地震中,原设计使用的钢屈服耗能装置和盆式橡胶支座在地震中严重破坏。美国土木工程学会专门派代表团进行考察鉴定,并协助重新设计,最终采用摩擦摆隔震装置对震后桥梁进行加固。根据 墩高的变化和跨越断层的位置,采用了3种规格的摩擦摆支座:1)在不太高的墩上采用滑道半径大、位移能力为±700mm的支座;2)在高墩上采用滑道半径小、位移能力为±700mm的支座;3)在断层两侧的墩上采用滑道半径大、位移能力为±900mm的支座。最终该桥共使用了536个摩擦摆支座,设计水平位移能力有1.5倍以上的安全储备。所有的支座均按美国设计规范的要求进行了原型动力检测。

Benicia-Martinez桥是旧金山海湾地区生命线 工程之一,在1989年LomaPrieta地震中遭受了严重破坏。震后该桥的采用摩擦摆支座和阻尼器进行加固。它是目前世界上采用隔震技术进行改造的最大桥梁,如图6所示。该桥的设计地震为强烈的近场地震动,近场断层和深层土场地影响产生的地面运动谱加速度超过7g。在该桥每个混凝土桥墩的顶部安装两个摩擦摆支座,支座的直径为4m,每个重达18t,能承受22226kN设计恒载和活载,水平位移能力为135cm。摩擦摆装置在加州大学圣地亚哥分校进行了动力仿真试验,测试速度高达1.524m/s。

位于加州福尔松的美洲河桥是世界上最大的新建隔震桥梁之一,如图7所示。该桥共安装了48个摩擦摆隔震支座。隔震支座可以保证桥梁在设计地震作用下处于弹性工作,而桥梁结构不会损坏。与传统的抗震设计方法相比,采用隔震支座节省了一百万美元的建设费用,费用减少的原因是灌注桩尺寸的减小。非隔震桥梁的桥墩地震力需求大概是其强度的两倍,因此,桥梁在设计地震作用下会发生结构破坏。隔震支座的水平位移能力为0.254m,承受的恒载和活载高达17780kN。支座安装时留出预位移以便适应混凝土收缩和预应力后张法施工产生的变形。

密西西比河上的I-40大桥是孟斐斯地区的交通、商业和防护要道,它位于新马德里地震区的东南边界,19世纪美国中部有3次最强的地震发生在这个区域。该桥采用摩擦摆隔震支座进行加固,可以抵御新马德里断层上的7级地震。采用摩擦摆隔震支座后,这座40年的旧桥在经历强烈地震后仍能正常使用。与传统的加固方案相比,采用摩擦摆隔震支座的设计方案节省了1600万美元的建设成本。成本降低是通过最大限度的降低上部结构、桥墩和基础的强度来实现的。I-40桥采用的摩擦摆支座是世界上承载能力最大的隔震支座,它可以承受88984kN的竖向荷载,如图8所示。

到2005年,美国EPS公司已经在世界各地完成了50多个大型结构工程,其中有近20座大型桥梁。安置在加州几座桥梁上的摩擦摆隔震系统已经在加州频繁的地震中经受了考验。

4 摩擦摆支座与铅芯橡胶支座的性能对比

铅芯橡胶支座目前是工程中应用较为广泛的隔震装置,与铅芯橡胶支座相比,摩擦摆动支座具备许 多优良的性能。两种支座的性能对比见表3所示。

摩擦摆支座比橡胶支座具有更高的承载力、更大位移能力和更好的耐久性。支座的高度低、强度 高、竖向刚度大,使得安装费用降低。在老化、低温、高温、扭转和非扭转条件下,摩擦摆支座均具有明显的优势。支座内衬为自润滑复合材料,这种材料在航空工业领域中已成功地使用了40多年。它的性能不受时间和温度的影响,而且具有超强的耐高温性能。摩擦摆支座的可靠性和稳定性已由美国地震实验室通过大量的试验验证了。

5 小 结

本文对摩擦摆支座在国外桥梁工程中的设计和应用情况进行了综述,对其组成材料、力学性能及严格性能测试试验进行了较详细介绍,并将摩擦摆支座的力学性能与铅芯橡胶支座进行了对比。 实践表明,摩擦摆支座是一种力学性能良好的隔震装置,能够有效降低地震力,节省施工费用,降低工程总造价。摩擦摆支座在美国和欧洲的桥梁工程中有着广泛应用,正越来越受到工程师们的青睐。摩擦摆支座在桥梁工程中的应用,对于提高桥梁结构的抗震性能,提高桥梁工程建设的经济性具有重要意义。