3.5　黏滞阻尼器和摩擦摆配合使用

采用减隔震控制技术是解决铁路桥梁抗震设计的有效途径，减隔震技术是通过采用减隔震装置来减少传递到上部结构的地震作用和能量。当前连续梁桥梁采用减隔震设计主要体现在上部结构与下部结构的联系上，集中在支座的设计及减震耗能装置的施加，常用的减隔震支座主要集中在三款产品——橡胶支座、钢阻尼支座、摩擦摆支座，常用且高效的附加减震耗能装置为液体黏滞阻尼器。

3.5.1　摩擦摆减隔震支座

橡胶支座中具有较好减隔震性能的铅芯橡胶减震支座已在数百座桥梁上得到了应用，但其竖向承载能力有限，耐久性差、稳定性差等问题不能满足高速铁路桥梁建设的要求；钢阻尼支座虽能较常用减、隔震装置具有承载能力大，但其耐久性及稳定性方面依然存在着不足，同时震后不能自复位的缺点也限制了其应用的范围；摩擦摆支座具有承载能力高、稳定性良好、复位功能和抗平扭能力强等特点，已在国外桥梁的抗震设计及抗震加固中得到了广泛的应用。

典型的摩擦摆隔震支座由两部分组成：滑块和一个经过处理的球形滑动凹面，这个凹面和滑块的表面具有相同的半径，以使两者能较好地吻合且在竖向荷载作用下具有较为均匀的压力。摩擦摆隔震支座是根据单摆的原理研发用于桥梁工程、建筑工程的隔震支座。在地震反应中，上部结构发生摆动时，当地震力超过静摩擦力时，摩擦摆隔震支座开始滑移上升，通过有限的摩擦阻尼消耗地震能量，从而达到减震效果。另外根据单摆的工作原理可知，摩擦摆隔震支座按固定的周期沿凹面滑动，调整桥梁结构系统的自振周期来降低桥梁结构地震响应达到隔震的效果，摩擦摆振动周期按式（3-4）计算。此外，其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢复原位。

摩擦摆隔震支座恢复力模型示意如图3-11所示，μ表示速度为0时的摩擦因数；f为隔震支座发生滑动时的最小水平荷载，即静摩擦力；K1为滑移前刚度，理论上，该值应该为无穷大，可是实际中，虽然滑移没有发生，可是摆本身仍然有一定的变形，所以K1为一个极大值，近视地按K1=f/x计算；x为滑移位移，可由厂家提供。因支座摩擦系数较小，支座的摩擦力远小于重力恢复力，支座滑动时的刚度K可近似得到，即K2≈P/R。K有效为支座的等价线弹性刚度。

图3-11　摩擦摆支座力学模型

3.5.2　分析方法探讨

摩擦摆支座在高速铁路桥梁上的减震应用仅靠支座的摩擦力很难抵抗列车牵引力及制动力的作用，需要在支座中增设抗剪螺栓（剪力键），以满足正常使用的要求。多遇地震作用频率相对较高，为尽可能地减少频发的小地震对高速铁路桥的影响，多遇地震发生后，结构在不经过人工干预的情况下不影响桥梁的正常运营，剪力键须有一定的抵抗多遇地震的能力。剪力键可以根据大于多遇地震的荷载作用进行设计。一旦地震荷载作用达到一定程度，为了防止固定墩发生破坏，剪力键必须剪断，此时，摩擦摆通过自身的滑动以牺牲上部结构的过大位移为代价进行减、隔震作用，上部过大的位移可能导致梁体的碰撞，引起落梁、伸缩缝或者桥台的损伤，此时必须要对上部结构的位移进行控制。以往的工程经验及实例分析表明，黏滞阻尼器可以对墩梁相对位移的控制起到较好的效果。

针对以上所述减隔震设计理念，鉴于对高速铁路桥梁抗震性能的要求较高，提高强震下高速铁路桥梁的抗震性能，给出的高速铁路桥梁基于摩擦摆支座的隔震及黏滞阻尼器减震的设计方法如下：

1.多遇地震

多遇地震作用下，摩擦摆支座不发生摆动，通过设置的剪力键来抵抗上部结构所产生的水平惯性力，此时摩擦摆并没有发挥自身的隔震作用。剪力键的作用使得墩梁之间的相对速度较小，且黏滞阻尼器为速度相关型的减震保护装置，黏滞阻尼器此时只能起到有限的协同作用。

2.设计地震

设计地震作用下，剪力键在较大的水平地震力作用下已被剪断，摩擦摆支座摆动发挥自身的减隔震的优势，阻尼器协同发挥减震作用，把上部结构的位移及控制截面的剪力和弯矩控制在合理的范围内，使得结构处于弹性状态。

3.罕遇地震

罕遇地震作用下，摩擦摆隔震支座所牺牲的位移量严重超过了防落梁限位位移，同时，外激励注入结构的能量较多，摩擦摆支座的耗能能力有限，此时主要依靠液体黏滞阻尼器的减震耗能把结构控制在可修而不至于落梁倒塌的弹塑性阶段。

通过上述的减、隔震布置方式，可以在频发的多遇地震中实现桥梁“抗小震”，在设计地震作用下实现桥梁“控中震”，在罕遇地震作用下实现桥梁“减大震”的性能目标。所说的“抗小震、控中震、减大震”的性能目标，即为小震作用下，通过固定墩的强度来抵抗地震荷载的作用；设计地震作用下，通过摩擦摆支座隔震及阻尼器减震联合作用下把结构控制在合理的性能范围内；在罕遇地震作用下，以摩擦摆的隔震作用和阻尼器较强的减震耗能作用，把上部结构的位移减小在合理的范围内，防止结构发生严重的落梁破坏。