矮墩大跨度長聯預應力連續梁橋的減隔震支座性能研究

袁安華

（福州市規劃設計研究院，福建 福州350001）

0 引 言

“生命線工程”是指維持城市生存功能系統和對國計民生有重大影響的工程，主要包括供水、排水、電力、燃氣及石油管線、電話和廣播電視、大型醫療系統、公路和鐵路等交通系統工程等。公路是生命線工程中最重要的組成部分，在抗洪及地震災害中發揮至關重要的作用，其中橋梁又是公路中的重要節點，因而其抗災害能力直接影響到救援和后勤保證[1]。

本文以實際的工程實例為依據，重點討論矮墩大跨度連續梁橋抗震性能設計，旨在保證設計安全的前提下，最大可能的減少構件重量，節省造價，并能使橋梁在地震作用下保證其使用性能，確保生命線工程的暢通[2，3]。

1 橋梁減隔震設計及建模

1.1 模型工程基礎資料概況

新南港大橋跨越大樟溪和陳厝河，全長1338m，主橋為70 m+120 m×4+70 m的預應力混凝土連續梁橋，橋寬50 m。

上部為單箱單室直腹板變高度變截面箱形梁，梁高及底板厚度按1.8次拋物線變化，跨中梁高3 m，底板厚0.32 m，中支點截面梁高7.4 m，底板厚2.5 m，主橋梁高拋物線方程為：y=0.002992612985x+3.0（m），其中 0≤x≤57.5；箱梁底板上緣拋物線方程為：y=0.00261184428x+2.68（m），其中0≤x≤54。下部主橋墩為鋼筋混凝土花瓶墩（6.5 m×3.8 m），邊墩為鋼筋混凝土花瓶墩（6.5 m×2.5 m）。

1.2 三維有限元動力計算模型

新南港大橋主橋為六跨預應力混凝土連續梁橋，主跨120 m，為減小地震對連續梁橋的破壞，可以通過設置隔震支座來達到減小結構內力和位移的目的。綜合以往工程經驗，選取三種隔震方案，分別為鉛芯橡膠支座、減振球型支座和摩擦擺支座。為有效探討三種支座在地震力作用下的防震效果，以固定支座（15號墩）為中心設置三種方案。

方案一，14號、15號和16號墩梁之間采用鉛芯橡膠支座，方案二，14號、15號和16號墩梁間采用減振球型支座，方案三，在14號、15號和16號墩梁間采用摩擦擺支座，由此建立了考慮縱橋向隔震的動力計算模型。

采用ANSYS有限元軟件建立空間動力計算模型，如圖1所示，主梁為魚刺骨脊柱梁模型，采用BEAM1888單元模擬橋墩、樁及主梁，COMBIN40單元模擬支座，15號墩采用固定支座。采用M法模擬樁土相互作用。采用三維質量MASS21模擬二期恒載。模型中各構件截面特性、連接方式及邊界條件均按實際情況確定。

圖1 新南港大橋有限元計算模型

1.3 地震動輸入

該項目地震動峰值加速度0.10g，地震設防烈度7度。新南港大橋的地震反應計算分析采用反應譜分析和時程分析兩種方法。設計地震動反應譜曲線的具體數學表達式：

地震影響系數由公式（1）確定，

式中，Kh為地震系數；β（t）為設計地震動加速度放大系數反應譜。

式中：t為反應譜周期，s；T1為反應譜平臺起點周期，s；Tg為反應譜特征周期，s；β（t）為對應于周期 t的相對反應譜值；βmax為相對反應譜的最大值；γ為衰減系數。

水平向設計加速度反應譜乘以下式給出的豎向/水平向譜比函數R為豎向設計加速度反應譜，其譜形參數與水平向相同。

式中：T為結構自振周期，s。

最不利場地北岸地表面反應譜計算如圖2和圖3所示。

圖250 a10%地表面綜合反應譜曲線

圖3100 a 4%地表面綜合反應譜曲線

在該項目進行的地震反應時程分析中，對于E1水準、E2水準分別進行3條輸入地震動加速度的時程分析。E1水準、E2水準的地表面各條地震波時程曲線如下圖4～圖9所示。

圖4 E1水準地震動時程（地表面）時程1

圖5 E1水準地震動時程（地表面）時程2

圖6 E1水準地震動時程（地表面）時程3

圖7 E2水準地震動時程（地表面）時程1

圖8 E2水準地震動時程（地表面）時程2

圖9 E2水準地震動時程（地表面）時程3

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）[4]里第5.1.1條規定，該橋梁可只考慮水平向地震作用，可分別考慮順橋向和橫橋向的地震作用。

2 抗震計算分析

2.1 內力分析

采用非線性時程分析法對新南港大橋進行了E1、E2水準下的地震響應分析，方案一鉛芯橡膠支座、方案二減振球型支座及方案三摩擦擺支座的彎矩剪力對比如圖10～圖13所示。

圖10 墩底最大縱向彎矩比較

圖11 墩底最大縱向剪力比較

圖12 樁頂最大彎縱向矩比較

圖13 樁頂最大縱向剪力比較

可以看出，15#墩的縱向地震響應顯著下降，在 E2水準下分別減少了 61.56%、66.23%和63.80%，相鄰墩改為隔震支座后，地震響應稍微增加，但數值較小。

綜合受力比較，減振球型支座和摩擦擺支座的豎向承載力更大，耐久性更好，性能更穩定。

3.2 位移分析

采用非線性時程分析法對新南港大橋進行了E1、E2水準下的地震響應分析，方案一鉛芯橡膠支座、方案二減振球型支座及方案三摩擦擺支座的位移對比如圖14和圖15所示。

圖14 主梁最大縱向位移比較

圖15 墩頂最大縱向位移比較

3 結 語

采用全橋有限元模型對三種方案的減隔震支座的受力性能分析，摩擦擺支座通過較大的屈服后（擺動）剛度，使墩梁間的約束剛度能有效地控制支座位移。結合長聯大跨連續梁橋的特點，摩擦擺支座能最大程度地減小地震的不利影響，有效提高超長聯大跨連續梁橋的抗震性能。

作為重要傳力構件的隔震支座，應具備足夠的承載力，還應具備消能特性、剛度回復和耐久性等，綜合考慮該橋最終采用摩擦擺支座。