采用新型多级摩擦轴承对铁路桥梁进行隔震处理

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic isolation of railway bridges isolated with a novel multi-stage friction bearing

本文提出新型多级摩擦支座（MSFB），通过三阶段机制（刚性连接→摩擦阻尼→势能位移限制）适应不同强度地震。经理论建模、机械性能测试和桥梁数值模拟验证，MSFB在中等地震中有效延长结构周期并耗能，强震时防止梁体脱座和碰撞，显著提升桥梁抗震性能。

　　

S. Zou|H.L. Wang|Z.P. Zhai|H.S. Wenliuhan|C.X. Qu|C.B. Zhang

广州大学地震工程研究中心，中国广州

摘要

传统桥梁在强震和巨震中极易受损。为了提高抗震性能并在高强度地面运动下实现可控的结构行为，本研究介绍了一种新型的多级摩擦轴承（MSFB），该轴承具有多级激活机制。通过其复合水平和倾斜滑动表面，轴承提供了三个功能阶段——“刚性连接 → 摩擦阻尼 → 基于势能的位移限制”。研究方法包括三个关键阶段：首先，通过理论分析推导出MSFB在不同工作阶段的恢复力模型；随后，通过全面的机械性能测试验证该模型的准确性；最后，通过对一个实际的三跨简支梁桥进行数值模拟，评估MSFB在控制地震响应方面的有效性。研究结果表明，MSFB能够成功实现其三级机制，并根据地震激励强度在不同阶段之间平滑过渡。在中小地震中，MSFB作为有效的隔震器，延长结构周期并耗散地震能量；在大地震中，它作为有效的位移限制装置，通过防止梁体脱位和上部结构碰撞来减轻地震损害风险。

引言

作为地震灾害响应中的关键“生命线”基础设施，桥梁的安全性直接影响社会经济稳定[1,2]。过去十年中，全球多次发生7.0级以上的地震（包括2023年的土耳其地震、2014年的玉田地震、2013年的芦山地震、2010年的玉树地震和2008年的汶川地震），造成了广泛的桥梁损坏[[3], [4], [5]]。特别是2008年的汶川地震，仅该地震就损坏了6410座桥梁（图1）[6]。这些事件凸显了传统桥梁在强震和巨震下的严重脆弱性，强调了迫切需要研究桥梁在强烈地面运动下的抗震性能[7,8]。

地震隔离和能量耗散技术可以有效减轻地震对桥梁结构的损害[[9], [10], [11]]。然而，在高强度地震区域，强烈的地面运动可能导致桥墩和梁体之间产生过大的相对位移，从而引发严重的危害，如梁体位移、跨间碰撞甚至脱位失效[12]。2021年中国青海省7.4级玛多地震期间，这种情况尤为明显，多座采用地震隔离技术的桥梁发生了灾难性的脱位失效（图2）[13]。这些失效暴露了当前应用于高强度地面运动桥梁的地震隔离装置和设计方法中的关键安全风险[14]。

然而，现有的多级隔离系统（如滑动变摩擦摆[15]、双摩擦摆隔离系统[16]、三重变摩擦摆轴承[17]和多频摆隔离器[18]）面临三个主要挑战：(a) 在强震下位移控制所需的恢复力不足（例如，摩擦摆轴承（FPB）的残余位移可达0.38米）[19]；(b) 机械复杂性高；(c) 桥面热胀冷缩时FPB不可避免地会发生垂直抬升，影响行驶平稳性并可能损坏伸缩接头。

为了克服上述摩擦摆轴承的缺点，提高桥梁的抗震性能并在强烈地震下实现可控的机械行为，本研究旨在开发一种新型的“多级摩擦轴承（MSFB”[20]。该轴承利用复合锥形表面（图4）来实现位移控制和自适应阶段切换，结构简单。本文的主要研究内容如下：首先，通过理论分析建立MSFB在不同工作阶段的恢复力模型；随后，通过全面的机械性能测试验证该模型的准确性；最后，通过对一个实际的三跨简支梁桥进行数值模拟，评估MSFB在控制地震响应方面的有效性。为了充分利用FPB和纯摩擦滑动系统的优点，同时解决FPB的局限性，本研究提出了一种新型MSFB。这种创新装置旨在有效耗散地震能量，在不同地震强度下控制隔离层的位移，并提供强大的阻尼能力。研究方法结构如下：首先根据其几何特性建立MSFB的机械模型；接着通过水平剪切试验确定MSFB的实际机械性能，并利用实验数据完善机械模型；最后，通过对一个等跨简支梁桥进行数值模拟，评估MSFB的控制效果。

设计概念

为了确保结构韧性，MSFB采用了三级抗震加固策略：在中小地震中结构不受损伤，在强震中避免倒塌，并在超过设计水平的极端地震事件中防止梁体失效[19,20]。在桥梁地震隔离设计中，过于刚性的轴承可能在中小地震中在桥墩内部产生过大的力，而过于柔性的轴承可能导致

桥梁描述

分析研究的对象是一座位于郑州-济南高速铁路沿线、各跨长度相等的三跨简支梁桥，作为研究原型。如图11所示，该桥由三个相同的跨组成。每个跨采用C50混凝土箱梁，长度均为31.5米。每个桥墩的支座结构包括一个由两个圆形空心桥墩支撑的盖梁，桥墩总高度为15.7米（图12）。

峰值地震响应

图20比较了装有传统FPB和MSFB的桥墩的峰值地震响应。结果表明，在EIC-NS和KOB-NS地面运动下，桥梁的地震响应相对适中，MSFB和FPB在控制这些峰值响应方面的有效性相当。

然而，如图20c和d所示，在HCN-EW和THU-EW地面运动下，地震响应显著增加，这些地面运动包含大量的长周期成分

结论

本研究提出并开发了一种新型的MSFB。建立了数值模型来模拟其机械行为，并通过全面的机械性能测试验证了其准确性。此外，还进行了数值模拟来评估MSFB在控制简支梁桥地震响应方面的有效性。主要结论总结如下：

• (1)
  一种具有“水平滑动到倾斜”两阶段自适应机制的新型轴承

作者贡献声明

S. Zou： 方法论、数据整理、形式分析、概念化。H.L. Wang： 调查、数据整理。Z.P. Zhai： 软件开发、概念化。H.S. Wenliuhan： 概念化。C.X. Qu： 监督、概念化。C.B. Zhang： 项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52222807, 52308487）的资助。作者对这一慷慨的支持表示衷心的感谢，并声明没有利益冲突。