高烈度區(qū)采用拉索減震支座的大跨連續(xù)梁抗震性能分析

劉 洋

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

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高烈度區(qū)采用拉索減震支座的大跨連續(xù)梁抗震性能分析

劉 洋

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

基于拉索減震支座的減震原理，采用非線性彈簧單元Combin40與Combin39并聯(lián)模擬拉索減震支座，以某實際預應力混凝土連續(xù)梁為工程背景，利用ANSYS軟件建立了三種支座布置形式的計算模型并進行了比較，結果表明，采用此類支座能有效減小連續(xù)梁中固定墩墩底地震內(nèi)力，同時墩梁相對位移也在可控范圍內(nèi)。

拉索減震支座，固定墩地震內(nèi)力，墩梁相對位移

0 引言

減隔震技術作為一種高效提升結構抗震性能的技術，近幾十年來得到了廣泛的發(fā)展和應用。減、隔震技術是指采用減、隔震裝置來將結構與地震引起的地面運動相互分離開來,從而大大減少結構的地震響應[1,2]。

減、隔震的基本原理為：1)通過在結構中設置柔性支撐來增加結構柔度從而延長結構的自振周期，減小結構在地震作用下的響應；2)通過在結構上增設阻尼器或耗能裝置來增加結構阻尼，從而控制由于柔度增大而導致的過大位移；3)同時減、隔震裝置必須具備支撐正常使用極限狀態(tài)下的水平力的能力，因此需具備足夠的剛度和強度。

目前常用的減隔震支座有：分層橡膠支座，鉛芯減震支座，雙曲面球型隔震支座等。分層橡膠支座的應用比較廣泛，但因為其不能夠耗散能量，因此必須要和其他減震支座組合并聯(lián)使用。在地震作用下，鉛芯減震支座具有水平剛度較小，阻尼較大的優(yōu)點，但由于其豎向承載能力及變形能力較小，其應用也受到了限制。盆式支座具有承載能力強、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點，但是該類支座缺乏自恢復能力，無法保障支座地震響應的可靠性。雙曲面球型隔震支座具有自回復能力強、抗平扭能力強的優(yōu)點[3,4]，其主要缺陷是：在地震過程中，上部結構通過圓弧形滑動面會產(chǎn)生一定量的上升位移，導致主梁產(chǎn)生不等高的支座沉降。

拉索減震支座能從一定程度上克服上述減隔震支座的諸多不足。拉索減震支座是在盆式支座的基礎上，組合一種限位拉索而成，充分發(fā)揮了盆式支座及限位拉索各自的優(yōu)點。

1 拉索減震支座簡介

1.1 構造特點及工作原理

拉索減震支座由抗剪銷(剪力鍵)、拉索與盆式滑動支座三部分組合而成,其構造如圖1所示。

該類支座的工作原理為：

1)在正常使用或小震作用下，拉索減震支座所承受的水平剪力小于抗剪銷的抗剪極限承載能力，抗剪銷使拉索支座此時以固定支座的形式工作。

2)在中震或者大震作用下、當拉索支座承受的水平剪力超過抗剪銷的極限承載能力時，抗剪銷失效退出工作，支座由固定支座轉(zhuǎn)變?yōu)榱嘶瑒又ё揽可舷轮ё彘g的摩擦作用耗散能量，當上下支座板間的相對位移超過拉索的松弛長度時，拉索開始參與受力，對上部結構起到了緩沖限位的作用[5]。

1.2 拉索支座的力學模型

該類支座的減震特性主要體現(xiàn)在抗剪銷剪斷后作為滑動型支座工作的情況，如圖2所示，其恢復力模型可以看成由活動盆式支座與拉索二者的恢復力模型疊加而成。

2 分析模型

為了驗證拉索減震支座的力學特性及減震效果,以高烈度區(qū)某(55+4×90+55)m預應力混凝土連續(xù)梁為工程背景展開研究，主梁上部結構為變截面連續(xù)箱梁,單幅橋面寬12.5 m,支點梁高5.6 m,跨中梁高2.6 m聯(lián)間主墩為2.5 m(順橋向)×6.5 m(橫橋向)×0.6 m(壁厚)薄壁箱形截面，聯(lián)間過渡墩為實心矩形截面。11號墩為制動墩，墩高為31.1 m。

本文采用ANSYS建立了該6跨連續(xù)梁的有限元計算模型，有限元模型中采用3D梁單元Beam188模擬主梁和墩柱，主梁與支座之間采用豎向剛臂連接；采用土彈簧的方式模擬四周土對樁基的約束作用。二期恒載采用三維質(zhì)量單元Mass21模擬。活動支座采用非線性彈簧單元Combin40和彈簧單元Combin14模擬。拉索采用非線性彈簧單元Combin39模擬。拉索支座縱橋向彈簧組合單元如圖3所示。

地震動采用3條人工合成波，計算結果取三組計算結果的平均值。將地震波的加速度峰值均調(diào)整為0.283g，阻尼比取5%,持續(xù)時間長為40 s。

為了驗證分析拉索減震支座的減震效果，采用ANSYS建立以下三個計算模型：

模型①：11號墩設置固定盆式支座，其余橋墩均設置盆式活動支座。

模型②：11號墩設置拉索減震支座，其余各墩均采用盆式活動支座。

模型③：9號～15號墩均采用與模型②中相同的拉索減震支座。模型③計算示意圖見圖4。

3 減震效果分析

為使橋梁結構在地震作用下較為合理，經(jīng)大量參數(shù)分析，在模型②,③中拉索減震支座的自由程均取為0.07 m,拉索剛度均取為5×104kN/m。在地震輸入下各模型的計算結果分別如表1,表2所示。

表1 各模型中橋墩墩底縱橋向地震內(nèi)力對比

表1為三種模型中9號～15號橋墩墩底內(nèi)力值，從表1可以看出如果使用常規(guī)的固定墩、活動墩布置模式，則地震時上部結構質(zhì)量激發(fā)的慣性力主要由固定墩承擔，固定墩的抗震問題比較突出。模型②中則僅在原固定墩處設置拉索減震支座，活動墩內(nèi)力基本不變，而拉索支座下的橋墩墩底彎矩減小約24%,墩底剪力減小約21.4%減震效果比較明顯。模型③中均采用拉索減震支座，可以看出，11號原固定墩處墩底地震內(nèi)力可進一步減小到模型①的50%左右，但與此同時墩底地震力會有一定程度的提高，達到了各墩協(xié)同抗震的目的。

表2 各模型中縱橋向支座變形對比

表2為三種模型中9號～15號支座的變形對比，可以看出模型①中除11號支座，其余支座的變形均很大，均超過了35 cm。模型②中11號墩處的支座位移增大到了10.8 cm,其余各墩處的支座位移與模型①中的計算結果相當，由模型③的計算結果可以看出，若各墩均采用拉索減震支座，則所有橋墩上支座變形均可以控制在11 cm左右。

4 結語

本文以某大跨連續(xù)梁為工程背景，探討了拉索減震支座的力學特性及其對大跨連續(xù)梁抗震性能的影響。可以得到以下結論：

在傳統(tǒng)固定墩上設置拉索減震支座，能夠有效地減小固定墩墩底的地震內(nèi)力，同時也將該墩的墩梁相對位移控制在合理范圍內(nèi)。如果各墩均設置拉索減震支座，則所有橋墩將協(xié)同承擔縱向地震力,與傳統(tǒng)固定墩抗震方法相比，各墩地震力分配更趨均勻、合理。

[1] 陳 列,胡京濤.橋梁隔震技術[M].北京:中國鐵道出版社,2014.

[2] 葉愛君.橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社,2002.

[3] Tsopelas P,Constantinon M C.Experimental study of FPS systerm in bridge seismic isolation[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1996(25):65.

[4] Almazan Jose L，De la Llera Juan C. Analytical model of structures with frictinal pendulum isolators[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2002(31):305.

[5] 袁萬城，王斌斌.拉索減震支座的抗震性能分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2011(8):1126.

On analysis of large-span continuous beam’s seismic performance by adopting inhaul cable damping support in high intensity areas

Liu Yang

(College of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on the damping pricinple for the inhaul cable damping support, the paper adopts the non-linear spring unit Combin40 and Combin39 to imitate the inhaul cable damping support, uses ANSYS software to establish three support allocation forms with the background of the prestressed concrete continuous beam and compares the calculation models, and proves by the result that the support can reduce the internal force of the fixed pier bottom effectively and the relevant displacement of the pier beam can be controlled within the scope.

inhaul cable support, internal force of fixed pier earthquake, relevant displacement of pier beam

1009-6825(2017)16-0162-02

2017-03-24

劉 洋(1989- )，男，在讀碩士

U441.3

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