桥梁摩擦摆支座技术研究报告

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桥梁型摩擦摆式减隔震支座
η——折减系数，无量纲，本产品设计参数为 0.5~1； θ——支座设计转角，单位为弧度（rad）; DY ——最大残余位移，单位为毫米（mm）; μ——支座设计摩擦系数，无量纲； W——支座设计竖向承载力，单位为千牛（kN）; dy ——初始屈服位移，范围 2～5,单位为毫米（mm）； K p ——初始刚度，单位为千牛每毫米（kN/mm）； Keff ——等效刚度，单位为千牛每毫米（kN/mm）； Kc ——屈后刚度，单位为千牛每毫米（kN/mm）； ED ——滞回曲线面积，单位为平方毫米（ mm2 ）； F——回复力，单位为千牛（kN）； ξ1 ——水平承载力系数，无量纲； ξ2 ——水平剪断力系数，无量纲； ξ3 ——水平防落梁力系数，无量纲； [σ ] ——滑板材料许用应力，单位为兆帕（MPa）； Ap1 ——小半径滑板直径，单位为毫米（mm）； Ap2 ——大半径滑板直径，单位为毫米（mm）； Bg——球冠衬板直径，单位为毫米（mm）； [σ1] ——支座垫石许用应力，单位为兆帕（MPa）； [σ 2 ] ——梁体混凝土许用应力，单位为兆帕（MPa）； h1——下座板厚度，单位为毫米（mm）； h2——上座板厚度，单位为毫米（mm）。 4.2 基本计算 本支座结构形式为双曲面，根据其减隔震原理，等效周期为：
表 1 国内外各单位摩擦摆支座产品列表
国内外
单位
产品名称
产品类型
洛阳双瑞特种装备有限公司
KZQZ
双曲面结构
衡水宝力工程橡胶有限公司
JZQZ
分离式单摆结构
武汉鑫拓力工程技术有限公司
FPQZ
双曲面结构
新津腾中筑路有限公司 国
株洲时代新材料科技股份有限公司 内
成都新筑路桥机械股份有限公司
FSQZ -
FPGZ
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2.2 隔震原理 摩擦摆支座隔震原理：通过摆动，延长下部结构自振周期，实现隔震功能（图 2）。
在设计时利用钟摆机理延长了桥梁的自振周期，能够通过桥梁自重提供所需的自复位 能力，帮助桥梁上部结构回到原来的位置，也是目前摩擦摆支座区别于钢阻尼支座的 优势之一，减少了震后桥梁维养成本。
图 2 隔震原理示意图
桥向采用柱面形式，因此该支座只在横桥向起到减隔震的作用。基于这种缺点，国内
各厂家研发了多款支座结构，如图 4 中采用分离式设计的结果，其地震位移与常规位
移分离设计，使得梁体抬高降低，降低梁体风险；也避免了双曲面支座在设计时采用
的位移折减方法，保证了理论设计水准。
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桥梁型摩擦摆式减隔震支座
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SR——曲率半径，对于双曲面为上下曲面球心距，单位为毫米（mm）； R——大半径，双曲面为上曲率半径，单位为毫米（mm）； r——小半径，双曲面结构下曲率半径，单位为毫米（mm）； h——球心距，上下滑板外露高度与球冠衬板高度和，单位为毫米（mm）； T——等效周期，单位为秒（s）； e——纵向活动支座纵向桥综合位移，单位为毫米（mm）； e0——横向位移，单位为毫米（mm）； e1——纵向位移，单位为毫米（mm）； e2——地震位移，单位为毫米（mm）；
相比于传统抗震橡胶支座，摩擦摆支座承载力高、阻尼比大；与钢阻尼支座相比， 其重量轻，复位能力强，因此结合了抗震橡胶支座与钢阻尼支座的共同优点，将是未 来几年内减隔震支座领域应用量较多的一款产品。
2 减隔震原理
同高阻尼支座、铅芯支座及钢阻尼支座一样，摩擦摆支座也是一种减隔震支座， 其减隔震原理如下。 2.1 减震原理
抬高公式分别为：
∆1= SR × (1− cosθ ) ， ∆2= SR − SR2 − e02 ， ∆3= SR − SR2 − e12
∆'1=
SR −
SR2
− e22
，
∆
' 2
=
SR −
SR2 − e22 ， ∆'3=
SR −
SR2 − e2
双曲面支座结构地震后的最大残余位移为：
DY= µ × SR
表 1 中，武汉艾尔格公司代理意大利 Alga 公司的摩擦摆产品，武汉鑫拓力代理意
大利 FIP 公司的摩擦摆产品，以下介绍时会有合并。各公司摩擦摆支座产品主要分为
两种类型，一种是双曲面结构，一种是分离式结构。其中双曲面结构应用量较多，分
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桥梁型摩擦摆式减隔震支座
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离式结构主要应用于特殊结构桥梁。 图 3 是业内公司双曲面结构的支座示意图，其基 本原理是一致的，下转上摆，地震时，耗能螺栓被断了，限位方向开始摆动，支座即 实现减隔震功能。
设计时应满足以下条件，说明结构才能得以复位：
e2 > DY
支座初始刚度公式为：
Kp
=
µW dy
常规工况下，固定支座最大转角、横向支座最大转角、纵向/双向支座最大转角分
别为：
α1
=θ
，α2
=
e0 SR
，α3
=
e1 SR
地震工况下，固定支座最大转角、横向支座最大转角、纵向/双向支座最大转角分
别为：
α
' 1
=
e2 SR
，
α
' 2
=
e2 SR
，
α
' 3
=
e SR
双曲面支座结构在常规位移、地震工况下都会引起梁体抬高,其 GD、HX 及 ZX 结构
衡水宝力 JZQZ
新津腾中 FSQZ
衡水贵平 MJQZ
图 4 分离式结构示意图
某公司结构
4 设计及计算
在参考交通运输行业标准公路桥梁摩擦摆式减隔震支座（JT/T852-2013）及桥梁 双曲面球型减隔震支座（JT/T927-2014）的基础上，运用双曲面结构独有的计算方法， 结合国内外已发表的论文、专利、工程案例及大量的 CAD 软件放样，形成了本产品独 有的设计及计算方法，分为计算符号、基本计算和核心计算三部分，分别如下。 4.1 计算符号
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桥梁型摩擦摆式减隔震支座
技术研究报告
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1 背景
1985 年，美国的 Zayas 等人提出摩擦摆减隔震理念，同年由美国地震保护体系 （EPS）公司研制而成，并首先用于房屋建筑，而后应用到桥梁、大型储油罐等结构上。 摩擦摆支座由于其具有结构尺寸小和可以控制结构隔震周期等优点，因此在世界各地 迅速推广开来，欧洲德国及意大利等桥梁构件厂家后续跟进，国内以河北衡水宝力公 司涉及较早，并在 2013 年颁布了交通运输行业标准 JT/T852-2014，中船重工下属 725 研究所得子公司河南洛阳双瑞公司与同济大学范立础院士、李建中教授合作开发了桥 梁双曲面结构摩擦摆支座，也已上升为行业标准 JT/T927-2014，并在国家重点桥梁工 程苏通大桥及港珠澳大桥等项目中得以应用。后续其他厂家在两者的基础上，进行了 结构改进和材料配方研究，并取得了骄人的业绩。
洛阳双瑞 KZQZ 株洲时代
武汉鑫拓力 FPQZ 成都新筑 FPGZ
美国 EPS 公司 1
德国毛勒公司
图 3 双曲面结构示意图
摩擦摆支座在发生常规位移及地震位移时，都伴随着支座高度的变化，因此在大
跨度长联连续梁上使用时，由于支座在各桥墩上的温度位移各不相同，会引起各支点
的高程变化，产生支座的附加应力。国内著名苏通大桥采用了摩擦摆柱面支座，在顺
分离式双曲面结构 双曲面结构 双曲面结构
衡水贵平工程橡塑有限公司
MJQZ
分离式双曲面结构
武汉艾尔格桥梁新技术开发有限公司
PFDB
双曲面结构
成都大通路桥机械有限公司
MBQZ
双曲面结构
意大利 FIP 公司
-
双曲面结构
国
意大利 Alga 公司
-
双曲面结构
外
美国 EPS 公司
-
双曲面结构
德国毛勒公司
-
双曲面结构
摩擦摆支座减震原理：通过滑动界面摩擦消耗地震能量，实现减震功能。以双曲 面球型减隔震支座为例（图1），当地震发生且水平横向力超过预定值时，限位装置的 抗剪销和安全螺钉被剪断，支座的横向限位约束被解除，大半径球面摩擦副横向即可 自由滑动，通过摩擦阻力逐渐消耗地震能量。
图 1 减震原理示意图 1
桥梁型摩擦摆式减隔震支座
3 同类产品
目前，国内外涉及摩擦摆支座的单位较多，经过大量调研，将应用量较大的产品
汇总见表 1 所示。其中，衡水宝力公司的 JZQZ 产品及洛阳双瑞的 KZQZ 已经上升为交
通运输行业标准 JT/T852-2013 及 JT/T927-2014，这两种产品结构及减隔震原理也代
表了目前摩擦摆支座的核心技术。
桥梁摩擦摆式减隔震支座
技术研究报告
2014 年 12 月
桥梁型摩擦摆式减隔震支座
目录
技术研究报告
1 背景......................................................................................................... 1 2 减隔震原理 ............................................................................................. 1 2.1 减震原理 .................................................................................................. 1 2.2 隔震原理 .................................................................................................. 2 3 同类产品 ................................................................................................. 2 4 设计及计算 ............................................................................................. 4 4.1 计算符号 .................................................................................................. 4 4.2 基本计算 .................................................................................................. 5 4.3 核心计算 .................................................................................................. 7 5 趋势......................................................................................................... 7 5.1 防落梁 ...................................................................................................... 8 5.2 变周期 ...................................................................................................... 9 5.3 大位移 .................................................................................................... 12 6 总结........................................................................................................ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
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桥梁型摩擦摆式减隔震支座
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T = 2π SR g
式中，曲率半径为支座设计等效半径，与大半径、小半径、球心距的关系为： SR = R + r − h
双曲面结构上大下小，其纵向桥综合位移、横向综合位移为：
=e max(e1×η + e2，e1) ， e' = max(e0，e1)