減隔震支座在大跨度預應力混凝土連續梁橋中的應用

譚珂

（上海市政工程設計研究總院集團佛山斯美設計院有限公司，廣東 佛山 528200）

減隔震支座在大跨度預應力混凝土連續梁橋中的應用

譚珂

（上海市政工程設計研究總院集團佛山斯美設計院有限公司，廣東 佛山 528200）

以王借崗大橋抗震設計為背景，對減隔震支座技術對大跨度預應力混凝土連續梁橋中的應用進行了研究。抗震計算采用MIDAS/Civil 2013空間有限元軟件，對主橋的地震力進行了空間分析。分析結果顯示，減隔震支座的應用可以顯著減小地震力。

減隔震支座；預應力混凝土連續梁；抗震

1 工程概況與計算說明

1.1 項目概況

王借崗大橋跨越汾江河，全橋長930.4 m。跨徑組合為（3×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁+（3×25+32.7）m簡支小箱梁+（70+110+ 70）m預應力混凝土連續箱梁橋+（22.7+3×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁。王借崗大橋主橋總體布置如圖1所示。

1.2 計算說明

本計算所涉及的范圍為主橋（70+110+70）m連續箱梁橋。計算的主要內容有：（1）建立主橋的合理空間動力計算模式，分析結構動力特性；（2）采用線性反應譜法進行地震反應分析，研究結構在兩種概率水平（超越概率為50年10%和50年2.5%）的地震輸入下的地震響應；（3）對主橋在兩種概率水平下的抗震性能進行驗算。

2 主橋（70+110+70）m連續箱梁橋總體布置

2.1 總體設計

橋跨布置為（70+110+70）m連續箱梁橋，橋寬19.5 m。下部采用大直徑鉆孔灌注樁。

結構體系：主墩、邊墩均設減隔震支座。

2.2 橋墩設計

邊墩結構采用圓形截面橋墩，兩墩之間用高低蓋梁連接，蓋梁采用預應力混凝土A類結構，蓋梁加高塊在主橋鋼束張拉完成后進行后澆。兩立柱中心間距為6 m。每個立柱下布置直徑2.2 m的鉆孔灌注樁1根。

主墩采用圓端形截面，橋墩橫向尺寸10.24 m，順橋向尺寸3 m。主墩承臺尺寸為水中墩承臺17.8×9.1 m，陸地墩承臺14.6×9.1 m，每個立柱下布置6根直徑2.2 m的鉆孔灌注樁。

2.3 主梁設計

主梁采用變高度預應力砼連續箱梁，支點梁高6.5 m，跨中梁高2.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。

3 地震作用

采用反應譜法對該橋進行地震響應分析。地震加速度譜取值如下：

王借崗大橋主橋設防類別B類，其結構重要性修正系數：E2地震Ci=1.7m，E1地震Ci=0.5；水平地震動峰值加速度0.1g，豎向地震動峰值加速度0.065g。場地類別為Ⅱ類場地，場地系數Cs= 1.0。特征周期Tg=0.4 s。阻尼比取為0.05，阻尼調整系數Cd=1。

4 計算模型

本次計算采用Midas/Civil 2013版本軟件，采用空間桿系模型，主梁、主樁基采用梁單元，橋墩樁基與土的邊界采用土彈簧模擬，以考慮樁土效應。全橋共有907個單元。計算模型如圖2所示。

圖1 總體布置圖（單位：m）

圖2 空間桿系模型

5 計算參數輸入

5.1 質量和轉動慣量輸入通過X、Y、Z方向荷載轉換施加節點三方向質量。一期恒載：混凝土主梁采用梁單元自重系數（1.04）施加，橫梁采用集中力施加；

二期恒載：采用外部均布荷載施加。

5.2 邊界條件輸入

地基基礎：采用土彈簧模擬樁基邊界條件；支座模擬：采用減隔震支座等效剛度模擬。

6 主橋抗震計算

6.1 抗震設防標準

大橋按“兩階段設計、兩水準設防”的抗震思想進行抗震設計。

王借崗大橋采用50年10%（地震水平I，簡稱E1地震作用）和50年2.5%（地震水平II，簡稱E2地震作用）兩種超越概率地震動進行抗震設防。

6.2 結構性能目標

針對結構各部分的重要性，主橋相應的性能目標為：

橋墩等橋梁結構中比較容易修復的構件在E1作用下雖然可發生可修復的損傷，但要求地震發生后，基本不影響車輛的通行。在E2作用下，結構不倒塌，震后可以修復，可供緊急救援車輛通過。

基礎等結構重要受力構件在E1作用下基本不發生損傷，結構保持在彈性范圍工作；在E2作用下雖然局部可發生可修復的損傷，但要求地震發生后，基本不影響車輛的通行。具體性能目標可參見表1。

6.3 地震動輸入

場地地震動參數，主要包括：地震系數K與規準加速度反應譜β（T），它們與設計地震影響系數α(T)的關系為：

根據設計規準加速度反應譜，經平滑后所得結果用式（1）表示：

表1 主橋設防標準與相應的性能目標

在進行地震反應分析時，采用50年10%和50年2.5%的超越概率，阻尼比為0.05的場地反應譜輸入，如圖3及圖4所示。

圖4 E2地震作用反應譜圖

地震輸入采用兩種方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向，并取前300階，按CQC法進行組合。

6.4 減隔震支座選擇

為改善主橋下部結構受力，擬采用雙曲面摩擦擺減隔震支座，每個邊墩及中墩設置減隔震支座，同時設置抗剪銷。正常使用狀態下以及E1地震作用（50年超越概率10%）下抗剪銷承受水平地震力；當發生E2地震作用（50年超越概率2.5%）時，支座抗剪銷剪斷，橫向雙曲面摩擦擺發生相對變位，支座以一定的隔震周期進行擺動，通過球形支座與摩擦減隔震裝置之間的摩擦阻尼消能。地震作用后自重在梁體重力作用下，克服雙球面間摩擦自動復位。

根據E2地震作用下的支座處梁體水平位移限制確定減隔震支座地震動參數，主橋主梁在邊墩橫向位移限制為100 mm，最終選取的摩擦擺減隔震支座參數如圖5。

圖5 支座平面布置圖

支座參數如表2。

表2 支座參數

6.5 線性反應譜分析結果

在對線性模型進行地震反應分析時，采用50年10%和50年2.5%兩種超越概率的反應譜，地震輸入方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向。采用彈性反應譜分析方法，計算中取前300階，按CQC方法進行組合。

選取邊墩、中墩墩底及樁頂地震動響應結果如表3和表4所示。

表3 Pm12墩（中墩）-恒載+地震組合

表4 Pm11墩（邊墩）-恒載+地震組合

6.6 結構抗震性能驗算

6.6.1 地震作用截面抗震性能驗算

根據總體抗震設防目標，E1水準地震作用下，主橋各截面處于彈性階段，基本不損傷，截面承載力需滿足現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》的要求。E2水準地震作用下，主橋各截面仍按滿足彈性階段承載力要求設計。如表5所示。

表5 主墩與邊墩靜力計算內力結果

6.6.2 E2地震作用下主橋最大位移計算結果

從圖6、圖7分析結果可知，橋墩和樁基在E2水準地震作用下，截面承載力和變形均滿足規范要求。

圖6 E2地震作用下順橋向最大位移（最大100 mm）

圖7 E2地震作用下橫橋向最大位移（最大9.3 mm）

7 結語

通過計算分析表明，減隔震支座的應用可以顯著減小下部結構的地震力，使下部結構的控制荷載由地震荷載轉變為靜力荷載。減隔震支座的應用可以降低下部結構的工程量，取得良好的社會經濟效益。減隔震技術為橋梁抗震設計開拓了新的方向。

U443.36

B

1009-7716（2017）08-0285-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.090

2017-04-24

譚珂（1985-），男，湖南株洲人，路橋工程師，碩士研究生，從事橋梁設計工作。