帕德玛大桥摩擦摆隔震支座型式试验及性能分析_李歆.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023帕德玛大桥摩擦摆隔震支座型式试验及性能分析李歆1，*赵斌1 徐奇2 何巍2 彭胜利2（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；2.中船双瑞（洛阳）特种装备股份有限公司武汉分公司，武汉 430084）摘 要 摩擦摆隔震支座具有广泛应用前景。孟加拉国帕德玛桥梁工程为“一带一路”重要交通工程，采用了摩擦摆隔震支座，以保障桥梁安全。本文首先介绍了试验采用的大吨位多功能试验机及其主要技术参数，其次采用欧洲EN 15129：2009标准规定对帕德玛大桥采用的两种摩擦摆隔震支座进行了型式试验和性能评估分析。结果表明：摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满，耗能效果良好，具有稳定的力学性能及较好的隔震性能，满足设计要求。试验结果为该隔震支座的实际工程应用提供了试验验证，确保了该工程的抗震安全性。关键词 大吨位多功能试验机，摩擦摆隔震支座，型式试验，性能评估Type Test and Performance Analysis of Friction Pendulum Isolated Bearing for Padama BridgeLI Xin1，*ZHAO Bin1 XU Qi2 HE Wei2 PENG Shengli2（1.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.CSSC Sunrui（Luoyang）Special Equipment Co.，Ltd.，Wuhan Branch，Wuhan 430084，China）Abstract Friction pendulum isolation bearings have extensive application prospects.The Padama Bridge is an important transportation project of“the Belt and Road Initiative”.Friction pendulum isolation bearings are adopted to the Padama Bridge to ensure the safety of the bridge.First，the main performances parameters domestically developed large-scale multipurpose testing machine used in this test were introduced.Secondly，type tests according to European EN 15129：2009 Standard and performance evaluation analysis of the friction pendulum isolation bearing were conducted.The results show that the hysteresis curves of the friction pendulum isolation bearing are satisfactory，with good energy dissipation effect，stable mechanical properties and excellent seismic isolation performance，which meet the design requirements.The test results provide test verification for the practical application of this type of friction pendulum isolation bearing and facilitate the demonstration project application.Keywords large-scale multipurpose testing machine，friction pendulum isolation bearing，type test，performance evaluation0 引 言 地震作为最具毁灭性的突发性灾害之一，能够造成人员伤亡和财产损失、建筑物及桥梁的破坏甚至倒塌1。国内外发生的多次大地震中，作为生命线工程的桥梁均受到严重破坏，导致大量公路、铁路中断，引发次生灾害，更给震后救灾、重收稿日期：2021-06-25基金项目：国家自然科学基金资助项目（51908419）*联系作者：李 歆，女，工程师，主要从事结构振动控制和结构试验方法的研究。E-mail：DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.018Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study建工作带来了极大困难2。因此，工程减隔震技术的研究对于保护人类的生命财产安全，减轻震害损失具有重大的意义。摩擦摆隔震支座具有对地震激励频率的低敏感性和高稳定性、较强的自复位和消能机制、优异的耐久性等综合性能3-4。近年来，摩擦摆隔震支座广泛应用于桥梁的维修加固和新建工程。国内外对摩擦摆支座隔震桥梁进行了较多的理论与试验研究。陈永祁等5对比了摩擦摆支座在中美两国的设计应用状况。占玉林等6研究了摩擦摆支座参数对隔震桥梁的地震响应。刘俊峰等7研究了摩擦摆支座在三门峡黄河两用大桥的减隔震设计。许莉等8研究了多跨混凝土连续梁隔震措施。本文首先介绍试验采用的大吨位减隔震产品高速动态试验机。在此基础上，以“一带一路”重要交通工程孟加拉帕德玛大桥的摩擦摆隔震支座为研究对象，按照欧洲EN 15129：2009标准，对两种摩擦摆隔震支座进行型式试验，对其耗能隔震性能及参数进行研究分析，可以为摩擦摆隔震技术的应用起到重要推进作用。1 大吨位多功能试验机 目前国际上可用于大型隔震支座、阻尼设施以及桥梁固定装置的抗震静、动力实验的装置有美国加利福尼亚大学圣迭哥分校的结构反应模拟试验装置（SRMD 系统）和意大利 EUCENTRE 的BTS加载系统。SRMD系统三向的加载吨位、最大行程和速率分别为8 900 kN、1.22 m、1.778 m/s，4 450 kN、0.61 m、0.762 m/s 和 53 400 kN、0.127 m、0.254 m/s9。BTS加载系统主水平向和竖向的加载吨位、最大行程和速率分别为 2 100 kN（静）/1 700 kN（动）、0.58 m、2.22 m/s 和 50 000 kN（静）/40 00010 000 kN（动）、0.06 m、0.250 m/s，见表110。2015 年中船双瑞设计并建成了国内首台75 000 kN多功能试验机，如图1所示。试验机可用于大吨位减震隔震产品高速动态试验，提升了我国减隔震装置测试能力。75 000 kN多功能试验机主要由反力框架结构、液压动力系统、控制系统和监控系统组成。反力框架结构包括预应力混凝土框架结构、钢框架结构和滑动平台，如图2所示。预应力混凝土框架结构是试验机的基本框架，主要承受竖向荷载。预应力结构的采用可有效增大承载力，减小承载结构的体积，最大静态荷载下结构变形小于1 mm。后张拉预应力钢筋布置如图3所示，由一系列12根和19根15 mm的U形筋和一系列直径为50 mm的水平高抗拉钢筋组成。钢框架结构装配有预埋板，用于安装固定竖向油缸及工装，试验过程中提供连接和支撑，承受水平荷载。滑动平台位于试验机的加载平台和移动平台之间，包括低摩阻的滑板和导轨，摩擦系数小于0.01，确保高竖向力下水平位移的施加及竖向荷载的随动，设表1 试验机性能指标Table 1Performances parameters of the testing machine性能竖向荷载/kN水平荷载/kN竖向行程/m水平行程/m水平速度/（ms-1）竖向速度/（ms-1）SRMD指标8 900 4 450 0.127 1.221.778 0.254 BTS指标50 000（静）/40 00010 000(动)2 100（静）/1 700(动)0.580.062.220.250图1多功能试验机Fig.1Multipurpose testing machine108 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期计满足最大的试验机性能要求。液压动力系统包括液压泵站、液压油缸、蓄能器组、冷却系统和液压管路。液压泵站主管路工作压力 35 MPa，次管路工作压力 21 MPa，功率510 kW，最大流量 800 L/min，油箱容积 9 000 L，用于提供液压油压力，给蓄能器组充能，提供先导压力阀压力。液压油缸包括6个竖向油缸和4个水平油缸，油缸的最大工作压力为35 MPa，每个竖向油缸最大荷载为12 500 kN，每个水平油缸压力的最大工作荷载为1 500 kN。蓄能器组最大工作压力 35 MPa，液压油释放速度 7 000 L/min，可用油量1 450 L，压力损失小于4.5 MPa，具有独立的电磁控制平台，确保在短时间内提供试验所必需的油量。冷却系统为泵站冷却器提供循环冷却水，实现热交换，冷却液压介质，在设备长时间工作状况下保持油液的温度。液压管路连接阀块、蓄能器组与主管道，采用非焊接、非酸洗管路，冲洗NAS6级，工作压力35 MPa，尽可能减少泵站与主管路液压损失。75 000 kN多功能试验机的性能指标和试验范围分别如表2、表3所示。试验机竖向承载力为75 000 kN（静）/60 000 kN（动），水平荷载6 000 kN（静）/4 800 kN（动），竖向位移120 mm，水平位移1 200 mm，峰值速度为 1 000 mm/s。系统配备有蓄能器系统，在其最大工作能力下，能够实现3个峰值速度 1 000 mm/s、位移600 mm 的水平正弦周期运动，在周期结束时施加的水平动态力最大可以达到4 800 kN。多功能试验机为减震隔震技术研究成果向技术应用转化提供可靠的数据支撑，有利于新产品、新材料及新技术的推广应用。图2反力框架结构Fig.2Reaction frame structure图3后张拉预应力布置Fig.3Post-tensioning lay-out表2 试验机性能指标Table 2Performances parameters of the testing machine性能竖向荷载/kN水平荷载/kN竖向行程/mm水平行程/mm水平速度/（mms-1）样品尺寸/m采集通道指标75 000（静）/600 00（动）6 000（静）/4 800（动）120 600 1 000 32.41.192精度1%1%1%F*S1%F*S109Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study2 摩擦摆隔震支座型式试验 2.1工程概况帕德玛大桥位于孟加拉国，是“一带一路”倡议的重要交通支点工程，泛亚铁路的重要控制性工程，也是目前最大的桥梁项目。帕德玛大桥为公铁两用大桥，主桥全长6.15 km。该桥所处的地理位置的环境极为复杂，受地震、大风、洪水等不利自然因素影响。本文的研究对象为应用于帕德玛大桥项目的摩擦摆隔震支座。该桥采用的摩擦摆隔震支座，是全球最大吨位的双曲面摩擦摆隔震支座，地震发生时能有效降低作用于桥梁的地震荷载，为桥梁安全使用提供有力保障。2.2摩擦摆隔震支座设计参数帕德玛大桥的摩擦摆隔震支座共有五种类型，分为两种不同结构形式，如图4所示。本文选取两种不同结构形式的A型支座和E型支座进行研究。支座主要由上、下支座板组件，内、外侧滑动耐磨板，球冠，防尘围板组件等组成。考虑桥面较宽，支座横向移动的可能性，A型支座为双向支座，位于跨中；E型支座为单向固定支座，全桥共采用4个，位于桥端。根据实际工程需要，需对摩擦摆隔震支座的基本参数进行设计，支座的设计参数如表 4所示。根据设计参数，可计算得到支座的等效刚度、恢复刚度、等效周期和等效阻尼。计算公式如下：K=W(1R+D)（1）Kr=WR（2）式中：K为等效刚度；Kr为恢复刚度；R为等效曲率半径；为动摩擦因数；D为支座水平位移；W为竖表3 试验范围Table 3Testing capacity检测对象支座类阻尼器预应力件盆式支座球型支座橡胶支座摩擦摆式支座高阻尼橡胶支座铅芯橡胶支座橡胶隔震阻尼器速度锁定器黏滞性阻尼器预应力系统斜拉锁系统楼板预应力锚具试验内容竖向承载、水平承载、摩擦因数等剪切模量、抗剪粘结强度、压缩刚度、偏载实验等承载能力、摩擦力、滑移隔震试验等压缩刚度、静态/动态水平特征值试验等静态/动态轴向载荷试验低速试验、密封磨损试验、冲击荷载试验、过载试验、循环荷载试验低速试验、本构规律试验、阻尼系数试验、风荷载试验、密封磨损试验、行程验证试验静载/动载试验、疲劳试验图4摩擦摆隔震支座结构Fig.4Structure of friction pendulum isolation bearing表4 摩擦摆隔震支座设计参数Table 4Design parameters of the friction pendulum isolation bearing类型AENsdkN32 86533 017位移mm360560尺寸mm1 8501 8502971 9601 650472%5.55.5Rmm4 0004 000注：Nsd为非地震设计荷载，为动摩擦因数，R为等效曲率半径。110 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期向承载重量。等效周期：T=2RD()D+R g（3）等效阻尼比：=2|+DR|（4）支座的等效刚度、等效周期和等效阻尼比如表5所示。2.3试验内容根据欧洲EN 15129：2009标准，对摩擦摆隔震支座进行型式试验，规范要求试验内容如表 6所示11。A型和E型采用原型支座进行型式试验。由于试验设备加载能力的限制，E型支座的加载位移采用设计位移的53.5%。试验件安装情况如图5所示。A 型支座和 E 型支座型式试验参数选取如表7所示。型式试验前后，对摩擦摆隔震支座进行目视检查。3 试验结果分析 3.1评估方法摩擦摆隔震支座通过水平方向的摩擦耗能以减小下部振动能量至上部结构的传递。因此，在表5 摩擦摆隔震支座设计性能参数Table 5Design performance parameters of the friction pendulum isolation bearing类型AERmm4 0004 000%5.55.5K(kNmm-1)1311.5Ts3.23.4%24.518表6 检测滑移隔震性能的试验矩阵Table 6Test matrix for verifying the sliding isolation behaviour试验类型竖向承载静摩擦运行基准动态1动态2动态3完整覆盖地震双向性能确认老化SP1D1D2D3OEBP2P3竖向荷载NS/kN2NSdNSdNSdNSdNSdNEd,max和NEd,minNSdNSdNSd位移dx/m最大非地震运动1.0dbd0.25dbd0.5dbd1.0dbd1.0dbddbd1.0dbd1.0dbd1.0dbd速度峰值vo/（mms-1）0.1550vEdvEdvEdvEdvEdvEdvEd50圈数1120333333333备注持荷1 min持荷30 min后施加1 min滑移速度0.1 mm/s正弦正弦正弦正弦正弦正弦正弦正弦正弦正弦注：NEd，max为地震作用下最大荷载，NEd，min为地震作用下最小荷载。图5型式试验安装情况Fig.5Typical overview of test setup表7 摩擦摆隔震支座试验参数Table 7Test parameters of the friction pendulum isolation bearing类型AENsdkN32 86533 017NEd,maxkN32 00031 860NEd,minkN18 46418 464dbdmm360300vEd(mms-1)711.396551.228111Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study满足竖向承载力要求下，水平力学性能决定了支座的隔震能力。依据表5进行型式试验，试验结束后，需对摩擦摆隔震支座的刚度、耗能能力、摩擦因数等进行评估。平均恢复刚度krave由上循环和下循环的每个循环部分的平均恢复刚度确定，并考虑循环的线性趋势部分，其公式如下：Krave-n=(F+0.95max-F+0.95minD+0.95max+D+0.95min+F-0.95max-F-0.95minD-0.95max+D-0.95min)0.5（5）Krave=Krave-n3（6）式中：F+0.95max和F+0.95min分别为上循环0.95倍最大水平力和0.95倍最小水平力；D+0.95max和D+0.95min分别为其对应的水平位移；F-0.95max和F-0.95min分别为下循环0.95 倍最大水平力和 0.95 倍最小水平力；D-0.95max和D-0.95min分别为其对应的水平位移；Krave-n为第n个循环的平均恢复刚度。试验每循环圈的平均能量耗散EDCave由每个循环周期的面积决定，公式如下：EDCave=13i=13loopFdD（7）平均摩擦因数 EDC-ave通过能量耗散 EDCave计算：EDC-ave=EDCave2Nave()Dmax-Dmin（8）式中，Nave为循环加载中竖向荷载的平均值。测量并计算A型和E型摩擦摆隔震支座的等效曲率半径，分别为 4 015 mm、4 019 mm。与设计等效曲率半径误差分别为 0.37%和 0.47%，满足设计要求。根据等效曲率半径及型式试验参数计算得到相关参数，如表8所示。3.2试验结果摩擦摆隔震支座静摩擦试验，测得A型支座的最大静摩擦力为 3 824.7 kN，最小静摩擦力为-3 249.5 kN，E型支座的最大静摩擦力为3 010.0 kN，最小静摩擦力为-2 938.3 kN，曲线如图6所示。表8 摩擦摆隔震支座性能参数Table 8Performance parameters of the friction pendulum isolation bearing指标ReqEDCdbdKr(P1,D1,D2,D3试验)Kr(E1试验)Kr（E2试验）EDCdesign 0.25dbdEDCdesign 0.50dbdEDCdesign 1.0dbd单位mm%mmkN/mmkN/mmkN/mmkNmkNmkNmA型支座4 1055.5243608.004.507.80650.71 301.52 602.9E型支座4 0195.5273008.227.934.59544.81 089.62 179.1图6静摩擦力曲线Fig.6Friction resistance curves112 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期图7和图8分别为A型支座和E型支座型式试验时摩擦摆水平方向的滞回曲线。由试验得到的摩擦摆隔震支座的滞回曲线可知：摩擦摆隔震支座的滞回曲线为标准的双线性；摩擦摆隔震支座在往复摆动时恢复刚度较低，可以延长上部结构的振动周期，避开地震动的特征周期；在相同竖向力下，摩擦摆隔震支座的水平力随着水平位移的增大而增大；不同的滑动位移和竖向力下，滞回曲线饱满，具有良好的隔震性能；往复加载中，滞回曲线重合度较高，具有稳定的力学性能。3.3理论与试验结果分析依据3.1节中的公式，对型式试验数据进行计算，A 型和 E 型摩擦摆隔震支座的刚度、耗能能力、摩擦因数分别如表9和表10所示。对比D1、D2和D3的试验数据，在相同竖向荷载下，摩擦因数随着滑动位移量的增加而略有减小。P1试验中，侧向刚度均为正值，平均摩擦因数EDC-ave均大于5.5%，满足设计要求。动态试验D1、D2、D3、E1、E2中，侧向刚度均为 正 值，0.85krdesignkrave1.15krdesign，EDCave0.85EDCdesign，EDC-ave0.85EDC。3.4目视检查型式试验前后，对摩擦摆隔震支座进行目视检查，如图9所示。目视检查未发现屈曲，永久变形或错位的迹象，支座保持完好，满足设计要求。4 结 论 本文针对“一带一路”重要交通工程孟加拉帕德玛大桥工程，以实际工程应用的摩擦摆隔震支座为研究对象，参照欧洲EN 15129：2009标准进图7滞回曲线（A型摩擦摆隔震支座）Fig.7Hysteretic curves（Type A friction pendulum isolation bearing）113Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study行型式试验，并对摩擦摆隔震支座的耗能隔震性能及参数等进行了研究分析，可获得如下主要结论：（1）A型和E型摩擦摆隔震支座在型式试验中，支座的力学性能及承载性能均保持较好，具有较理想的隔震效果，满足设计要求。（2）试验结果为摩擦摆隔震支座在帕德玛大桥实际工程的应用提供了试验研究验证，促进了摩擦摆隔震支座在桥梁工程中的应用。（3）75 000 kN 多功能试验机提升了我国减图8滞回曲线（E型摩擦摆隔震支座）Fig.8Hysteretic curves（Type E friction pendulum isolation bearing）表10 E型摩擦摆隔震支座试验性能Table 10Test properties of type E friction pendulum isolation bearing指标krave(kNmm-1)EDCave(kNm)EDC-ave%P17.762 242.35.67D17.43475.094.86D27.29941.44.83D37.741 873.94.79E17.421 829.14.84E24.121 412.46.44表9 A型摩擦摆隔震支座试验性能Table 9Test properties of type A friction pendulum isolation bearing指标krave(kNmm-1)EDCave(kNm)EDC-ave%P17.272 827.55.99D17.02641.75.51D27.321 183.25.09D37.302 235.64.80E13.981 625.36.29E27.202 184.44.74114 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期隔震装置测试能力，为减震隔震技术研究成果向技术应用转化提供可靠的试验数据支撑。参考文献1Parmar A，Patel V，Patel M，et al.Seismic response control of asymmetric building using visco-elastic damperJ.International Journal of Civil 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