高速铁路桥梁摩擦摆支座的应用研究

高速铁路桥梁摩擦摆支座的应用研究

研究减隔震技术中的摩擦摆支座在高速铁路桥梁上的应用。对比传统高速铁路桥梁“抗震”装置，分析减隔震技术中摩擦摆支座的构造、原理、主要影响因素及隔震效果，对于解决高速铁路桥梁架于地震带之上的问题具有重要意义。

标签：高速铁路;桥梁;摩擦摆支座;隔震

一、研究背景与意义

众所周知，我国是世界范围的高速铁路大国，通过”引进、消化、吸收、再创新”的方针，目前国内高速铁路里程占比更达全球总里程的一半以上;据统计，截止2017年年末，我国已建成并通车的高铁运营里程达25000公里，其中桥梁里程达11300公里，约占已通车高铁运营里程的一半。可见在规划、建设高铁过程中桥梁已成为高速铁路工程的主要组成部分[1]。

此外，中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃。近十年来，中国西部频频发生地震，例如2008年汶川的8.0级大地震，期间造成超过万人伤亡，直接经济损失高达8451亿元人民币，地震不仅直接摧毁了房屋等建筑，还对铁路等交通运输系统造成了极其严重的破坏。

随着我国国民经济的不断提升、新时期“八纵八横”高速铁路网的建设（如图1），地震带地区的铁路桥梁抗震便成为了至关重要的关卡，必须对高速铁路桥梁实施减隔震技术，以实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标。

20世纪70年代，传统的依靠结构变形、破坏实现抗震的延性抗震技术已经不能满足人们的需求，同时，新型的减隔震技术因其优越的抗震效果，在各国铁路桥梁建设中不断被采用，譬如我国南疆铁路的布谷孜大桥。但截止目前，国内外对减隔震技术的应用仅局限于普通铁路桥梁，并未在高速铁路桥梁中植入，这是因为匹配高速铁路桥梁的装置刚度需求更高、耐久性更强、动力学性能更优，传统的减隔震技术并不能满足。因此面对高速铁路猛速发展与多地震带地理环境的矛盾，应当引入减震设计方法，探寻和研究适合高速铁路桥梁减震设计的措施，增强高速铁路桥梁抵御地震灾害的能力[2]。

二、常用减隔震技术

减隔震技术是一种高效的新型抗震技术，现今已广泛应用于房屋建筑、普通公路桥梁上，并且效果较传统的延性抗震技术更为明显[3]。近30多年，国内外技术人员通过采用柔性支承延长结构周期、采用阻尼器式能量耗散元件以限制结构位移、保证结构足够刚度[3]等措施的基础上，研发了许多类型的减隔震装置，接下来以铅芯橡胶支座、盆式橡胶支座、摩擦摆支座为例，展开不同减隔震技术的介绍：

（一）铅芯橡胶支座：在普通叠层橡胶支座的基础上改进（如图2），铅芯橡胶支座正是通过在普通叠层橡胶支座中的圆孔中插入纯度很高的铅芯来实现初始刚度较高、塑性变形能力弱和屈服点低等优良性能，因此铅芯橡胶支座既具备了普通叠层橡胶支座竖向承载力大和水平变形能力强的优点，还具备了一定的初始刚度，使支座阻尼比提高到了20%～30%。

（二）盆式橡胶支座：同样由叠层橡胶支座改良发展而来，属滑动摩擦支座。盆式橡胶支座通过其内部半封闭的钢制盆腔约束橡胶板，从而使橡胶板三向受力，提高竖向承载力。除此之外，橡胶板自身的流体性质能够实现支座与上部结构转动。在橡胶板的上方，采用钢衬板与密封圈密封橡胶圈，并通过钢衬板上的聚四氟乙烯板与上支座板下的不锈钢板摩擦实现支座的水平滑移（如图3）。

（三）摩擦摆支座：通过一个球形滑动表面以及一个抗压强度很高的滑块组成钟摆系统，在地震作用下，通过滑块在球形表面来回滑动延长隔震系统的周期，大幅减少结构在地震作用下的振动放大效应;在滑块的滑动过程中，界面摩擦消耗了一定的地震能量;并且在支座发生水平滑移后，桥梁通过自身的重力作用与滑块的滑动实現自行复位。

虽然铅芯橡胶减震支座已在国内外数百座桥梁上得到了应用[4～5]，但其存在竖向承载能力有限，耐久性差、稳定性差等问题;盆式橡胶支座虽然竖向承载能力与铅芯橡胶支座相较有较大的提高，但其自身仍存在滞回耗能能力有限、自复位能力弱等缺点。因此，这两类减隔震装置都不能成为高速铁路桥梁理想的减隔震装置[6]。但摩擦摆支座恰具有承载能力高、稳定性良好、复位功能和抗扭能力强等特点，并已在国外公路桥梁的抗震设计及抗震加固中得到了广泛的应用，因此摩擦摆支座相较前两者更具优势[7～8]。

三、影响摩擦摆支座隔震性能的主要因素

（一）摩擦摆支座的减隔震原理

摩擦摆支座的减隔震原理[比较简单，如图3所示，桥梁梁体部分支承在球形滑面上，当所受的水平荷载小于限位装置的最大限位力和静摩擦力之和时，滑块不会滑动，保证桥梁在正常运营荷载下的刚度;当所受的水平荷载大于限位装置的最大限位力和静摩擦力之和时，限位装置剪断，滑块开始滑动。此时，梁体相对桥墩发生位移，滑块沿着球形滑面像钟摆一样发 生运动，在水平力减弱后，滑块又能在竖向荷载的作用下自动复位[9]。

如图5所示，摩擦摆支座支座受竖向荷载 W作用，水平位移为 D，滑面曲率半径为 R， 滑块与滑面的静摩擦系数为 μ。则有 D=Rsinθ，滑块竖向压力为 N=Wcosθ，滑块所受摩擦力为 f=μNsgn（θ），由这些力在支座滑面中心点的弯矩静力平衡，可得支座所受水平力 F=WD/Rcosθ+f/cosθ，由于支座滑面曲率半径一般比较大，所以θ比较小，上式可以写成 F=WD/R+μWsgn（θ）。因此，摩擦摆支座由其竖向荷载产生的水平刚度 K2=W/R，则隔震系统的周期为：

由式（3-1）可得，装置隔震周期与支座的竖向荷载无关。此外从图中的支座滞回曲线也可以明显看出，支座初始屈服刚度 K1较大，由式 K1=μW/Y 求得，其中 Y 表示在将要滑动前支座产生的弹性剪切变形;屈服后刚度变为 K2=W/R，滞回面积E表明了滑块摩擦引起的耗能，此类滞回行为被称为刚性-线性滞回。其中摩擦摆支座的等效刚度 Keff为：（二）影響摩擦摆支座减隔震效果的因素

1、墩高。墩高对摩擦摆支座的墩底弯矩减、隔震效果有较大的影响，7m墩高的墩底弯矩减震率明显好于13m墩高的墩底弯矩减震率。墩高对摩擦摆支座的最大水平滑动位移也有一定的影响，7m墩高的最大水平滑动位移小于13m墩高的最大水平滑动位移。

2、地震强度。地震强度对摩擦摆支座的最大水平滑动位移影响较大，摩擦摆支座的最大水平滑动位移随地震强度的增大而增加。

3、场地类型。场地类型对墩底弯矩的减、隔震效果及墩、梁相对位移有较大影响[10]。

4、曲率半径。过大的曲率半径会导致桥板的大幅度晃动，落梁的概率大大增加。过小的曲率半径会导致减震球摆的晃动太小，对于消耗地震能量起不到太大的作用。

5、限位装置。目前世界上有多种限位装置，每种限位装置都有不同的优缺点，如何选取合适的限位装置成为设计摩擦摆支座的一大问题。

6、摩擦系数。在准确的曲率半径基础上，选取合适的摩擦系数才能有效地增加高铁桥梁的抗震性。

（三）合理确定三个主要因素

1、曲率半径

摩擦摆支座的曲率半径对高速铁路桥梁的地震反应有较大影响，从力学平衡原理出发对摩擦摆支座曲率半径进行理论分析，发现曲率半径变化对摩擦摆支座残余位移的影响在顺桥、横桥情况下均不能忽略，因此在高速铁路桥梁摩擦摆支座隔震设计中，应当考虑曲率半径对梁体位移、支座残余位移和桥墩内力的影响，再因地制宜选择曲率半径。

2、限位装置

查阅资料发现限位装置破坏的现象非常普遍。在地震作用下，桥梁结构因限位装置的参与改变了桥梁体系受力状态，使桥梁下部结构内力分布和位移发生变化，因此，限位装置仅作为构造措施是不合理的;另外，忽略限位装置与主梁的

碰撞作用，因限位装置及下部结构的地震响应则会对桥梁结构造成不安全的影响因素，因此，设计限位装置需要考虑桥梁结构受力体系等相关问题。

3、摩擦系数

摩擦摆支座的摩擦系数对支座的阻尼性能有较大影响。不少文献都展开了对摩擦摆支座摩擦副特性的研究，表明了温度、压力、滑移速度等因素对耐磨板摩擦系数的影响。这些研究表明精确地控制摩擦系数是困难的，但尽量清晰地探明各种因素对摩擦副摩擦系数的影响是有必要的;由于国内外各个摩擦摆厂家设计生产摩擦摆支座的习惯或者设计应用目标不同，因而对两个球面曲率取值不同。此外，石家庄铁道大学黄宇辰[9]提出在顺桥、横桥不同情况下，随摩擦系数增大，桥梁中跨结构位移与内力均增大、边跨结构位移与内力增大或无明显变化的研究结论。综上所述，在高速铁路桥梁的摩擦摆支座隔震设计当中，应当将梁体位移、钢轨内向变形和桥墩内力变化结合起来综合考虑，得出摩擦摆支座的摩擦系数不宜过高，也不宜过小的设计要求。

（四）应用于高速铁路桥梁的模拟分析

某高速铁路的4×32m简支梁桥如图5所示。墩高 H = 13m，直坡圆端形截面。桥址位于8度地震区，罕遇地震下地震峰值加速度为0. 38g，II类场地，场地特征周期Tg = 0. 35s。以3号桥墩顺桥向为摩擦摆支座的隔震研究对象，按上述原则确定摩擦摆装置参数见表1，支座的布置如图6所示[9]。

四、结语：

在高铁日益发展的今天，高速铁路大部分以桥代路与多地震带之间的矛盾下，对比分析各类常用减隔震装置，证明了摩擦摆支座应用于高速铁路桥梁能提高高铁桥梁抗震性能的可能，以实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的目标。鉴于高速铁路桥梁对抗震性能的要求较高，为尽可能减少频发小地震对高速度铁路桥的影响、提高强震下高铁桥梁的抗震性能，本文提出以下三个建议：

（一）多遇地震下，通过设置抗滑螺栓及限滑块使支座不发生摆动，其中抗滑螺栓的剪断力不低于制动力与多遇地震下支座水平力的较大值。利用支座及下部结构的强度抗震，隔震前后桥墩控制截面的地震弯矩小于其初始屈服弯矩，结构处于弹性状态;

（二）设计地震下，抗滑螺栓剪断、摩擦摆支座发生摆动，利用支座的摆动隔震及摩擦耗能减震，结构处于弹性状态;

（三）罕遇地震下，摩擦摆支座的功能与设计地震下相近相同，但验算时要求隔震前后桥墩控制截面的地震弯矩小于其等效屈服弯矩利用支座的摆动隔震及摩擦耗能减震，结构处于基本弹性状态[10，11]。

参考文献：

[1]王召祜.京沪高速铁路桥梁设计[J].铁道科学与工程学报，2005，5（ 2） ：13 ～16.

[2]张多平. 郑西客运专线渭南渭河特大桥设计综述[J]. 铁道标准设计，2009，（11）：43-48.

[3]邓育林，雷凡.桥梁抗震设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2016.10（ in Chinese）.

[4]Guan Zhong-guo， LiJian-zhong， Xu Yan. Performance

Test of Energy Dissipation Bearing and Its Application in Seismic Control of a Long-span Bridge[J].Journal ofBridge Engineering of ASCE， 2010， 15（ 6） ：622 - 630.

[5]Roy A Imbsen. Use of Isolation for Seismic Retrofitting Bridges[J]. Journal of Bridge Enginering of ASCE 2001，6（6）：425-438

[6]庄军生.关于桥梁减隔震支座的若干问题[J].预应力技术，2012，（05）：30-40.

[7]孟兮，倪燕平.减震榫设计及试验研究[J].北京交通大学学报，2013，（03）：103-106.

[8]陈浩.减震榫力学性能及其在桥梁减震中的应用[D].北京交通大学，2010.

[9]黄宇辰. FPS在高速铁路简支梁桥中的适用性研究[D].石家庄铁道大学，2016.

[10]夏修身，赵会东，欧阳辉来. 高速铁路桥梁基于摩擦摆支座的减隔震研究[J].工程抗震与加固改造，2014，（03）：21-26.

[11]李冰，王少华，邓斌.摩擦摆支座在高速铁路桥梁中的隔震性能研究[J].机械科学与技术，2015，（03）：339-343.