淺談摩擦擺支座的應(yīng)用

張 弓，王 智，郝硯琪

(太原市高速鐵路投資有限公司，山西 太原 030001)

1 摩擦擺球形支座基本知識(shí)

1.1 摩擦擺球形支座的基本原理

FPQZ摩擦擺式減隔震球形支座巧妙地利用了鐘擺原理，通過(guò)球形摩擦副的運(yùn)動(dòng)，使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)過(guò)程中通過(guò)摩擦阻尼耗能，支座的周期和剛度通過(guò)選取合適的球面半徑來(lái)控制，阻尼由動(dòng)摩擦系數(shù)提供，擺動(dòng)裝置提供的恢復(fù)力又可使支座重新回到中心位置。

1.2 摩擦擺系列球形支座的選取

本工程采用豎向承載力為15 000 kN(或者27 500 kN)，減隔震位移量為±300 mm，球面半徑為4 m，低溫(-40℃～-25℃)固定型、單向活動(dòng)型、雙向活動(dòng)型三類摩擦擺球形支座。

1.3 摩擦擺球形支座的組成

FPQZ系列摩擦擺球型支座一般由上支座板、不銹鋼板、上耐磨板、球冠、下耐磨板、橡膠密封環(huán)、下支座板、限位裝置及錨固組件等組成。FPQZ-GD型，材料構(gòu)成見(jiàn)圖1，通常設(shè)置于固定墩，其在正常工況下為固定支座，地震時(shí)限位板剪斷，支座雙向減隔震。

圖1 固定型支座

FPQZ-DX型，材料構(gòu)成見(jiàn)圖2，該支座可用作縱向活動(dòng)型或橫向活動(dòng)型，當(dāng)用于縱向活動(dòng)型時(shí)，其在橫橋向設(shè)有限位板，縱橋向可自由位移，地震時(shí)橫橋向限位板剪斷，支座雙向減隔震；FPQZ-SX型，材料構(gòu)成見(jiàn)圖3，其在正常工況下可以任意方向活動(dòng)，地震時(shí)雙向減隔震。

圖2 單向活動(dòng)型支座

圖3 雙向活動(dòng)型支座

2 摩擦擺球形支座的設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 摩擦擺球形支座的布置原則

本結(jié)構(gòu)為3跨連續(xù)梁，跨中受力大，變形量大，在跨中兩側(cè)任一側(cè)布置一個(gè)固定墩，且為了避免對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，故在靠近既有結(jié)構(gòu)側(cè)布設(shè)固定支座，另一側(cè)布設(shè)單向滑動(dòng)支座，以免應(yīng)力集中，固定墩縱向其余支座布置沿縱向單向滑動(dòng)支座。其余支座均為雙向滑動(dòng)支座。

2.2 摩擦擺球形支座的外力及承載

摩擦擺球形支座作為連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，承受由上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向力、水平力和彎矩，在設(shè)計(jì)過(guò)程中則分別體現(xiàn)為各種荷載的設(shè)計(jì)值。對(duì)球形支座而言，水平力和彎矩是由于橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到支座的制約而產(chǎn)生的，可認(rèn)為水平力是由于支座各部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于滑動(dòng)摩擦或滾動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的。

摩擦擺球形支座的豎向承載力分為30個(gè)等級(jí)，從1 000 kN到60 000 kN，可以根據(jù)設(shè)計(jì)荷載組合計(jì)算求得的外力，據(jù)實(shí)選取，本工程選取的豎向荷載為15 000 kN和27 500 kN。

2.3 摩擦擺球形支座的選型

2.3.1 彈性靜力位移驗(yàn)算

設(shè)兩橋墩之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橋梁合龍溫差與使用時(shí)絕對(duì)最大溫差為T(mén)(根據(jù)地方歷史資料查詢)，鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)為a，則這兩墩之間梁的最大理論位移量為：V=L×T×a/2；除此之外，還要考慮橋墩變形(縱向)和橋墩豎向沉降、橋面車(chē)輛荷載制動(dòng)力(同時(shí)幾輛車(chē)集體剎車(chē))、混凝土收縮、徐變等影響，所以設(shè)計(jì)值應(yīng)當(dāng)是V±deta(這個(gè)deta前面有正負(fù)號(hào)，因?yàn)橛蟹捶较虻囊蛩?例如溫度降低)存在)。

2.3.2 延性設(shè)計(jì)隔震位移驗(yàn)算

利用MIDAS Eivil有限元軟件，建立模型(見(jiàn)圖4)，可以計(jì)算支座剪切力(f)與剪切變形(d)的關(guān)系。

圖4 恢復(fù)力模型

f = -P/R×d-P×μ×z

(1)

(2)

(3)

恢復(fù)力模型采用的3個(gè)公式的含義如下。

2)式(2)為微分方程，涉及變量：結(jié)構(gòu)剛度k：結(jié)構(gòu)確定剛度既定；軸力P：由外荷載決定。等效摩擦系數(shù)μ：由公式3求的；Sign：符號(hào)函數(shù)；滯回參數(shù)：均可采用默認(rèn)值0.5。

3)式(3)涉及參數(shù)包括：μf/μs：快時(shí)、慢時(shí)摩擦系數(shù)；r：摩擦系數(shù)變化參數(shù)；v:剪切變形速度(剪切位移的導(dǎo)數(shù))。

一般廠家會(huì)提供各規(guī)格支座實(shí)驗(yàn)數(shù)值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到快時(shí)及慢時(shí)摩擦系數(shù)。速度變化參數(shù)r實(shí)際是按上述公式擬合曲線得到的參數(shù)；μ一般為0.01～0.06，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)曲線比較容易確定；r一般取20sec/m這個(gè)數(shù)量級(jí)。

針對(duì)摩擦擺減震、隔震支座初始剛度K1，根據(jù)美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，可取d=2.5 mm位移時(shí)的等效剛度,K=F/d=μw/d。

設(shè)計(jì)參數(shù)及程序處理方式見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)表

3 摩擦擺球形支座的加工和施工

1)支座驗(yàn)收宜在加工廠內(nèi)進(jìn)行，因工廠內(nèi)便于拆裝和再加工。驗(yàn)收者可隨機(jī)抽樣，打開(kāi)檢測(cè)任何指標(biāo)。項(xiàng)目各方聯(lián)合驗(yàn)收后簽字蓋章，主要驗(yàn)收工作即告完成。

2)支座出廠時(shí)，表面已涂?jī)傻婪冷P漆(有特殊要求可事先提出，否則由加工廠處理)，厚度應(yīng)在80 ～100 μm,但運(yùn)輸、貯存、安裝過(guò)程仍應(yīng)注意不要磕碰。當(dāng)有金屬表面裸露時(shí)，應(yīng)重新涂漆。整個(gè)運(yùn)輸、貯存、保管、安裝及養(yǎng)護(hù)期均應(yīng)采取防水、防潮、防火措施，以免內(nèi)部進(jìn)水、受潮生銹或高溫破壞內(nèi)部質(zhì)量。

3)支座須在閉合狀態(tài)(出廠供貨狀態(tài))下與上部結(jié)構(gòu)(橋梁等)螺栓連接或焊接，本項(xiàng)目上部采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，支座預(yù)埋鋼板與鋼箱梁焊接。因現(xiàn)場(chǎng)無(wú)組裝機(jī)具且衛(wèi)生條件惡劣又無(wú)備用輔料，故不得拆卸，以免灰塵、水、異物、潮氣和臟物進(jìn)入支座內(nèi)部后無(wú)法修復(fù)。

4)上部結(jié)構(gòu)(帶支座)安裝到位后，支座底板應(yīng)落在柱頂預(yù)埋鋼板的設(shè)計(jì)位置和設(shè)計(jì)標(biāo)高上。

5)上、下部結(jié)構(gòu)與支座連接的連接板、預(yù)埋板應(yīng)平整，除銹應(yīng)達(dá)到St2.5等級(jí)。連接板與鋼筋砼基礎(chǔ)和預(yù)埋板應(yīng)平行。如支座板與上下連接板不密合，需用楔鐵楔緊后再用高強(qiáng)、早強(qiáng)、微漲灌漿料(如RG灌漿料)或環(huán)氧砂漿灌縫，待固化后再用高強(qiáng)螺栓擰緊或焊接。四角和中心相對(duì)誤差應(yīng)小于0.1%，且應(yīng)小于1.5 mm，標(biāo)高絕對(duì)誤差小于3 mm。預(yù)埋鋼板受力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)單位對(duì)拉力、壓力和剪力的要求，故需要驗(yàn)算錨筋的數(shù)量和直徑，必要時(shí)錨筋應(yīng)與墩內(nèi)主筋焊接牢固。安裝誤差須嚴(yán)格控制。安裝前應(yīng)有坐標(biāo)位置、絕對(duì)標(biāo)高、四角相對(duì)標(biāo)高誤差記錄和處理記錄。

6)全部恒載安裝到位后，待達(dá)到或接近全年平均溫度時(shí)，再將支座底板與柱頂預(yù)埋鋼板焊接牢固。

7) 焊接采用的焊條應(yīng)與母材相適應(yīng)，即焊條強(qiáng)度應(yīng)大于等于母材。如母材碳當(dāng)量較高，需按焊接規(guī)范采取特殊措施。一般工程采用50系列焊條，根據(jù)底板坡口尺寸連續(xù)滿焊，焊縫等級(jí)為普通焊縫。但焊縫應(yīng)采用多道分層焊接，每層焊后用小錘敲打，去除焊藥并釋放焊接應(yīng)力。焊前必須經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定，焊工考核合格證，方可上崗正式施焊。

8)全部支座安裝就位并焊接后，再拆除支座上蓋與底座間的連接鋼板，使支座能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。上蓋和底座的連接鋼條(鋼板)不得作為支座吊裝、安裝就位的吊點(diǎn)。

9)支座安裝后應(yīng)做觀測(cè)記錄(標(biāo)高、位移、變形、銹蝕、焊縫狀況等)，橋梁主體結(jié)構(gòu)卸載前后進(jìn)行一次觀測(cè)，成橋后再進(jìn)行一次觀測(cè)，此后2年內(nèi)每半年進(jìn)行一次觀測(cè)、檢查、記錄和保養(yǎng)，并與以前結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。2年后此周期為每年1次，檢查內(nèi)容包括：外觀檢查、絕對(duì)標(biāo)高變化、形狀變化、支座位移值及轉(zhuǎn)角值、焊縫變化和防銹涂層的變化，檢查結(jié)果應(yīng)做記錄并存檔。如觀測(cè)有困難，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)構(gòu)造以利觀測(cè)。如不正常，應(yīng)采取措施，并應(yīng)通知支座生產(chǎn)廠及設(shè)計(jì)單位。

4 結(jié)束語(yǔ)

摩擦擺球型抗震支座既可以承受較大的豎向荷載，起到減小蓋梁或墩柱截面的作用，又可以通過(guò)支座巧妙的位移功能，起到釋放溫度、收縮應(yīng)力、延性變形的作用，應(yīng)用前景廣闊。

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