摩擦摆支座在地下地铁车站结构中的减震效果研究

摩擦摆支座在地下地铁车站结构中的减震效果研究

张剑峰

北京地铁工程管理有限公司 100079

摘要：

本文借鉴地面建筑结构的减隔震设计理念，提出在地铁车站中柱顶部设置摩擦摆支座形成新型减震结构体系。通过建立土-地下结构整体二维数值分析模型，运用整体动力时程分析方法对比研究了摩擦摆支座不同滑道半径和不同摩擦系数工况下减震结构与原型结构在结构变形和截面内力等动力响应的差异。结果表明：柱端设置摩擦摆支座使得结构整体抗侧刚度减小，结构的水平变形呈现小幅增大趋势。当摩擦摆支座的滑道半径越大、摩擦系数越小时，中柱变形、剪力和弯矩值较原型结构均有大幅的减小。

关键词：地铁车站；中柱；摩擦摆支座；滑动半径；滑动面摩擦系数

前言：

随着世界各国城市化进程的不断推进，开发和利用地下空间成为越来越重要的发展方向。目前地下工程已经广泛地应用于轨道交通、市政工程等多个城市建设领域，比较典型的地下结构有地下商场，地铁工程，综合管廊等。地下结构所处地层的地震加速度要小于地面结构所处的地表位置，而且地下结构受到周围土体的约束，场地运动产生的地下结构的自身惯性力影响并不大。因此，地下结构的抗震安全性能一直被认为远高于地面结构，导致地下结构的抗震分析理论与设计方法研究工作长期没有得到重视。总的来说，摩擦摆支座在地面建筑结构中减隔震机理明确，减隔震效果明显，但其在地下结构中的减隔震机理和影响因素的研究尚不够深入。本文基于大开地铁车站结构的震害机制，将摩擦摆支座应用于车站结构中，通过改变摩擦摆支座的球面滑动半径和滑动面摩擦系数，考察二者对地下结构减震效果的影响，为摩擦摆支座在地下结构应用中的参数选取提供参考依据。

1.摩擦摆支座简介

摩擦摆支座主要包括下支座板、球形滑块和上支座板组成，如图1所示。其中，下支座板包括由不锈钢材料制作成球形滑面的滑槽和限位装置；球球形滑块嵌在上支座下部类似关节腔中，以便形成受力面。

图1摩擦摆支座受力示意图

假定下支座板圆弧面半径均为R；球形滑块相对于滑道竖向对称轴运动的转角为θ，θ以逆时针为正；D为滑块的水平滑动位移，D=Rsinθ；W为摩擦摆支座竖向承载重量；N为滑动面的法向力，N=Wcosθ；f为滑块所受的滑动摩擦力；F为摩擦摆支座水平回复力。由平衡关系可以得到：cosFRWDfR(1)式中，滑动摩擦力f可表示为：cossgnfW(2)式中，μ为滑块的动摩擦系数。1,0sgn0,01,0(3)当θ很小时，cosθ取为1，式(1)可简化为：WDsgnFWR(4)摩擦摆支座双线性滞回模型如图2所示。在支座设计中，几个关键参数的物理意义为：Ki为摩擦摆支座的初始刚度，Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度，Keff为等效刚度，Dy为屈服位移。摩擦摆支座的自振周期可近似表示为:deffd2π2πDRWTgKRDg(5)式中，Dd为摩擦摆支座的允许位移；g为重力加速度。从中可以看出，摩擦摆支座的自振周期只和滑道半径R、滑道摩擦系数μ以及支座的允许位移Dd有关，而与其他参数无关，因此在分析摩擦摆支座的参数对其减震效果的影响时，只分析参数R和μ对减震效果的影响。

图2摩擦摆支座的滞回模型

2.支座滑动面摩擦系数对减震效果的影响

摩擦摆支座的另一个重要的设计参数是滑动面的摩擦系数。第4节选取第3节分析中滑道半径为1m的计算工况，通过改变滑动面摩擦系数，研究不同摩擦系数工况下摩擦摆支座的减震效果。选取的滑动面摩擦系数分别为0.01、0.02、0.03、0.04和0.05。

2.1对结构变形的影响

选取侧墙和中柱的顶底部相对水平变形值进行比较，可以看出设置了摩擦摆支座的减震结构侧墙变形较原型结构均有所增大，但幅度均不大，约为3%。并且，随着摩擦系数的增大，侧墙位移略微减少。然而，对于中柱的变形值而言，随着摩擦系数的增大，中柱位移也逐渐增大。并且，当摩擦系数较大(a)侧墙最大变形(b)中柱最大变形66(c)中柱残余变形时，减震结构的中柱变形值有可能大于原型结构。随摩擦系数的增大，中柱的残余变形逐渐减小。也就是说，滑动面摩擦系数越大，虽使结构表现出较好的自复位性能，但中柱的最大变形却比原型结构要大，对地下结构抗震不利。

2.2对截面内力的影响

关键截面内力比较同3.2节类似，表4、表5列出了不同摩擦系数工况下车站结构关键截面内力值的比较情况。从表1、表2可以看出，减震结构的侧墙水平变形较原型结构有所增大，侧墙底部的轴力、剪力和弯矩值均无明显变化，增幅或减负均在2%左右。而通过对比中柱底部截面内力可以发现，减震结构的中柱轴力较原型结构基本保持不变，减震率最高的为中柱剪力和弯矩值，尤其中柱剪力的减震率最高约达80%。并且，随着摩擦系数的增大，中柱剪力和弯矩值也呈现增大趋势，而减震率则呈现下降趋势。

表1不同摩擦系数工况下车站结构关键截面内力值

表2不同摩擦系数工况下车站结构关键截面内力减震率

2.3对支座位移的影响

不同摩擦系数工况下摩擦摆支座滑动面的相对滑移情况如图11所示。从中可以看出，滑动面峰值位移和残余位移均随着滑动面摩擦系数的增大而逐渐减小，并且当摩擦系数较大时，支座并不能有效滑动。也就是说，当滑动面摩擦系数越大，滑道越趋于粗糙，顶梁与中柱顶部的滑移更为不利，这也使得中柱底部的内力值的减震率逐渐减小。与此同时，当滑道过于粗糙后，摩擦摆支座的滑移效果不明显，因此摩擦摆支座的残余位移也越来越小，表现出来的自复位效果也较好。

图3不同摩擦系数工况下支座位移

结语：

本文借鉴地面建筑结构的减隔震设计理念，通过将摩擦摆支座设置在地铁车站中柱顶部形成新型减震结构体系。通过建立土-结构整体二维数值模型，运用动力时程分析方法对比研究了不同支座设计参数下减震结构与原型结构动力响应的差异。主要取得如下结论。

(1)与原型结构相比，由于在中柱顶部设置了摩擦摆支座使得结构整体抗侧刚度减小，减震结构的水平相对变形有一定增大，但增幅不大。

(2)当中柱顶部设置的摩擦摆支座摩擦系数较小时，中柱顶底部的相对变形较原型结构明显减小，降幅在30%左右；当摩擦系数较大时，减震结构中柱的变形将大于原型结构。

(3)中柱顶部设置摩擦摆支座会引起结构内力的重分布，侧墙内力的变化并不明显，但中柱剪力和弯矩值减小幅度最大，减震率最高约可达80%。

(4)当摩擦系数一定时，滑道半径越大减震效果越明显，中柱和摩擦摆支座的自复位能力越好；当滑道半径一定时，摩擦系数越小减震效果越明显，中柱和摩擦摆支座的自复位能力越好。总体而言，通过在地铁车站结构中柱顶部设置摩擦摆支座能起到结构抗震减震的作用，但其减震机理完全不同于地面建筑结构。地下结构中设置摩擦摆支座的减震原理是发挥关键构件的竖向承载能力的同时减小其在地震作用下的变形，从而避免其因延性不足而发生破坏。确切的说，在地下结构中设置摩擦摆支座不是传统意义上的减隔震原理，而是改变了结构本身的传力机制。

参考文献：

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