帥昌俊

（武漢億緯儲能有限公司，武漢 430223）

0 引言

我國幅員遼闊，山川河流眾多，近年來，隨著經濟建設的發(fā)展，我國修建了很多鐵路、橋梁及建筑，它們以不同的結構形式跨越了很多地質構造復雜的區(qū)域，甚至是高烈度地震區(qū)域。橋梁和建筑是國家和人民的重大財產，而地震災害是一種突發(fā)性、瞬時性的自然災害，往往在很短的時間內造成橋梁和建筑倒塌、人員傷亡。

國家已經頒布了一系列的法規(guī)，在我國橋梁和重要建筑上，必須強制使用減隔震方法，保證結構安全。減隔震技術是全世界都在推廣應用的成熟高新技術之一，它的使用使得建筑在地震中不倒塌真正成為可能，使其成為減輕地震災害最有效的手段之一。GB 50011-2016《抗震設計規(guī)范》中，也強調了隔震的重要性，隔震與消能減震設計可用于對抗震安全性和使用功能有較高要求或專門要求的建筑[1]。

現(xiàn)有的隔震系統(tǒng)中最常見的有高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座對高頻波的隔震效果較好，但在罕遇地震作用下，水平位移較大。鉛芯橡膠支座在罕遇地震作用下，水平位移較小，但是對于高頻波的隔震效果相對較差，且對環(huán)境的污染較為嚴重。摩擦擺支座（FPB）承載力高、阻尼比大、復位能力強，其出色的綜合性能使其在工程結構中受到廣泛的關注。在實際工程中，對于一個大型的橋梁和建筑，需要根據(jù)結構要求和地震參數(shù)綜合運用各種減隔震技術，以達到最佳的抗震效果。

本文介紹了摩擦擺支座的原理、摩擦擺支座設計計算及校核、摩擦擺支座核心耐磨材料的選型及某型號的摩擦擺支座的試驗驗證，設計與試驗嚴格按照標準EN 15129和標準EN 1337進行，最后提出自己的看法，供相關設計人員討論與交流。

1 FPB的基本原理與標準規(guī)范

橋梁和建筑等結構地震響應的降低可通過以下策略來實現(xiàn)：將結構的自振周期轉移到加速度響應較小的區(qū)域和耗散能量（阻尼），根據(jù)上述策略，通過檢查典型的加速度反應譜圖，很容易理解抗震裝置的效果。由圖1可知，只要將橋梁自振周期延長至3～4 s或更長，就可以大大降低橋梁結構地震響應。

圖1 地震加速度反應譜

根據(jù)鐘擺的原理，摩擦擺支座迫使結構按照自己的周期振蕩，摩擦擺支座的周期僅由鐘擺的半徑R和重力加速度g決定，它的周期不受質量M的影響，它的原理如圖2所示。在實際工程中，摩擦擺支座是基于球面滑動表面和耐磨材料的相互運動，它滿足標準EN 15129給出的4項要求：1）它像球型支座一樣支撐橋梁和建筑結構的重力；2）它通過滑動面提供橫向位移能力；3）它提供重新定心能力，當被推至空檔位置時存儲勢能，并將其返回初始位置；4）它通過滑動面的摩擦提供能量耗散。

圖2 摩擦擺支座的原理

摩擦擺支座已經運行在國內的許多實際橋梁和建筑工程中，如港珠澳大橋、重慶朝天門來福士廣場、武漢的恒隆廣場等。摩擦擺支座有使用壽命長、產品性能不受環(huán)境影響、耐受火宅、隔震位移大、偏載無偏心、球面自動歸心、地震響應及時等優(yōu)點，它將在減隔震支座領域獲得廣泛應用。

如表1所示，目前國內企業(yè)通過自身的工程技術優(yōu)勢，將相應的技術上升為國家標準和國家專利，代表了目前摩擦擺支座的核心技術，主要有洛陽雙瑞特種裝備有限公司等起草的標準JT/T 927和衡水寶力工程橡膠有限公司等起草的標準JT/T 852；武漢鑫拓力工程技術有限公司通過自身的技術優(yōu)勢編制了符合標準EN 15129的通用圖冊FPQZ，大大促進了摩擦擺支座的標準化應用；中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司根據(jù)工程中實際運用的需要創(chuàng)新地提出了各向異性的摩擦擺減隔震支座，使之成為國家標準，并申請了相應的專利；中國建筑標準設計研究院有限公司也起草了建筑上使用的摩擦擺標準，使得橋梁和建筑均有標準可依。

表1 國內設計單位摩擦擺支座產品型號

雖然摩擦擺支座設計與應用在國內起步比較晚，但在工程實踐中設計的摩擦擺產品如百花齊放，大大促進了摩擦擺技術的進步和發(fā)展，設計院與企業(yè)均對摩擦擺支座的運用進行了創(chuàng)新，例如速度鎖定摩擦擺支座、UFP抗拉拔摩擦擺支座、拉索減震摩擦擺支座、防落梁摩擦擺支座、調高測力摩擦擺支座等。

2 FPB的結構設計

摩擦擺支座主要的設計參數(shù)為豎向承載力、隔震半徑、摩擦因數(shù)、地震位移。為了準確地得到這些參數(shù)，需要建立整橋的有限元分析模型，并進行線性時程分析。我們一般通過反應譜的方法計算出不同烈度、不同特征周期的摩擦擺支座隔震參數(shù)，其中最主要的是基于項目地區(qū)的地震加速度反應譜來選擇合適的參數(shù)。

根據(jù)國家標準，摩擦擺支座的周期計算公式為

等效半徑計算公式為

式中：W為支座豎向載荷；R為等效半徑；SR為上球面球徑；R1為球冠轉動面曲率半徑；b為球冠高度；D為支座位移量；μ為支座的摩擦因數(shù)。

當摩擦擺支座參數(shù)確定后，其等效剛度、等效阻尼比及支座回復力均可通過經典公式計算出來,其載荷位移曲線如圖3所示。

圖3 載荷位移滯回曲線

摩擦擺支座由上球面鋼板、上球面耐磨板、球冠襯板、下球面耐磨板、下支座板組成，支座通過2個球面副提供承載、轉角和位移等功能。摩擦擺支座的結構設計是實現(xiàn)摩擦擺支座功能的基礎，其重點有耐磨板材質選擇、耐磨板壓力校核等。耐磨板是摩擦擺支座減震耗能的核心部件，必須保證支座的滑動與轉動功能，對于轉動耐磨板，其摩擦因數(shù)越小越好；對于滑動耐磨板，其干摩擦因數(shù)要大，熱穩(wěn)定性要好，線磨耗率要低，才能很好地滿足設計要求。目前工程設計中已采用的材料如表2所示。

表2 主要摩擦副材料性能參數(shù)表

目前國內常用的耐磨材料主要有PTFE和UHMW-PE兩種材料，但這兩種材料均不適用于摩擦擺支座，主要因為在地震工況下，材料的承壓能力和溫度適用范圍不夠，因為摩擦擺支座摩擦耗能的過程，會使得耐磨材料溫度升高，溫度升高的時候，其抗壓強度就會降低，其曲線如圖4所示。同時，因為耐磨材料是非金屬材料，其與金屬摩擦的時候會有磨耗，磨耗性能會關系到支座的正常壽命和減隔震性能，經過試驗，測得FLOWGO的線磨耗率為1.257 μm/km, 而在標準中，PTFE線磨耗率為15 μm/km，UHMW -PE的線磨耗率為5 μm/km，所以本文在摩擦擺支座項目中選用了FLOWGO材料。

圖4 不同材料的耐壓曲線圖

根據(jù)標準EN 15129和EN 1337，摩擦擺支座需要滿足接觸面壓σp≥0，則e≤L/8。其中：e為總偏心率；L為投影區(qū)域的半徑。本文的摩擦擺支座結構如圖5所示，設計的輸入?yún)?shù)如表3所示。

圖5 摩擦擺支座結構圖

表3 摩擦擺支座主要參數(shù)表

式中：fk為滑動耐磨板的抗壓強度，取180 MPa（FLOWGO材料在溫度T<35 ℃時fk=220 MPa，35 ℃

3 FPB的試驗驗證

隨著摩擦擺技術在國內運用越來越廣泛，國內企業(yè)對試驗設備也越來越重視，表4為世界范圍內試驗機的性能參數(shù)。

表4 主要試驗機性能參數(shù)表

根據(jù)以上的研究方法，以型號FPQZ-6000-SX-e200-R3.39為例驗證設計方案。該摩擦擺支座參數(shù)上文已說明，其減隔震性能試驗按歐洲標準EN 15129進行。在支座設計載荷下進行滯回性能試驗，峰值速度為Ved=2π·f·D。其中，f 為隔震頻率，即隔震周期的倒數(shù)[6]。經計算，速度值為Ved=341 mm/s，試驗結束后拆開支座觀察，耐磨材料完好，各零件無可視變形及損壞。試驗中時間與力的關系如圖6所示，時間與位移的關系如圖7所示，試驗得到的滯回曲線如圖8所示，滯回曲線飽滿，耗能效果明顯。

圖6 時間與力的關系圖

圖7 時間與位移關系圖

圖8 試驗滯回曲線

4 結論

1）對現(xiàn)有的國家標準、企業(yè)設計的摩擦擺產品類型、摩擦副材料及工程試驗室進行總結，基本上反映了摩擦擺支座設計與試驗的核心資源，為業(yè)內人員提供參考。未來企業(yè)在摩擦擺相關標準的指引下，做好成套的通用圖冊，從而推進摩擦擺支座的標準化、產業(yè)化發(fā)展。

2）需要做更多的試驗研究，特別是摩擦副的試驗研究和支座整體性能試驗研究，從而對現(xiàn)有摩擦擺行業(yè)標準進行完善和補充[1]；PTFE和UHMW-PE材料在高溫動載試驗時有熔融的現(xiàn)象，表現(xiàn)不佳，建議面向新的工程塑料（如聚酰胺、滌綸樹脂及本文中提到的達克綸材料）做更加深入的研究。因此，在實際工程項目中，摩擦擺項目不僅需要理論設計校核，也更需要做試驗驗證。

3）摩擦擺支座在結構上需進一步創(chuàng)新，以適應工程實踐中越來越多的復雜情況。摩擦擺支座有單曲面、雙曲面、三曲面等形式[2-4]，兼顧了摩擦擺支座的轉動、滑動、位移性能。目前摩擦擺支座周期都是固定的，而在近斷層常伴有長周期脈沖型地震波，容易與隔震結構發(fā)生低頻共振。變曲率的摩擦擺支座周期可以隨著位移的變化而改變，這是未來摩擦擺支座技術的一個發(fā)展方向[5]，各向異性摩擦擺支座XFPB的滑動面就是橢球面，順橋向和橫橋向的支座剛度和阻尼特性不一樣，目前已經在工程中實際運用，滿足了復雜多變的橋梁工況，這也是變曲率摩擦擺支座的一種形式。