減隔震支座在橋梁優(yōu)化設計中的應用

梁忠華，劉新文

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040;2.蘇交科(武漢)交通規(guī)劃設計有限公司，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

哥斯達黎加32#公路修復與擴建項目位于中美洲哥斯達黎加境內。該國現(xiàn)有的32#公路是中美洲洲際公路中大西洋走廊的主要干線，也是連接首都SanJosé和港口Limón的重要通道。因此，32#路Route4-Limón承擔著雙重功能，在路網(wǎng)中起著重要的作用。目前該路段是雙車道公路，交通量較大，計劃擴建為4車道干線公路。通過該項目的建設，中美洲國際公路網(wǎng)在哥斯達黎加境內大西洋走廊的運輸能力將得到提升，哥斯達黎加國內公路網(wǎng)將得到完善，首都圣何塞周邊的交通壓力將得到緩解。新建橋梁Matina(K110+400～K135+200)段大橋525 m/2座，中橋235 m/7座，新建橋梁與舊橋分離，與舊橋平行設置。橋梁上部結構均采用預應力混凝土預制小箱梁，為增加行車舒適性，對于兩垮以上的主線橋梁均采用結構連續(xù)；下部結構采用樁柱式橋墩配合樁基礎，對于墩高大于10 m的橋墩，采用薄壁式橋墩，基礎采用承臺配合樁基礎；橋臺根據(jù)填土高度及地形特點，采用樁柱式橋臺，板凳式橋臺或者薄壁式橋臺，基礎采用樁基礎。該項目地位于地震斷裂帶附近，地震烈度高，根據(jù)該國提供的抗震分析報告，水平設計加速度最大值達Smax=1.28g，按我國《公路橋梁抗震設計細則》規(guī)定，抗震設防烈度為9級，部分屬單獨研究范疇，設計技術難度大。

如表1是本次工程之中的相關設計標準。

2 減隔震支座的結構和減隔震設置

2.1 減隔震支座的結構

本次工程之中所應用的減隔震支座為擺式摩擦阻尼支座，這種減隔震支座是根據(jù)單擺的周期只與其擺動半徑有關，而與其質量無關的原理設計出來的。安裝擺式摩擦阻尼支座的橋梁或建筑可以通過改變支座的曲率半徑靈活的改變橋梁或建筑的自振周期。擺式摩擦阻尼支座包含三大系列產(chǎn)品：單曲面隔震支座、雙曲面隔震支座、柱面隔震支座。該產(chǎn)品廣泛應用于地震頻發(fā)地區(qū)。減隔震組合裝置的主要組成部分有兩個，其一是導向耗能組件，其二是纖維耗能組件，導向耗能組建是由導向板和非線性的阻尼輻所組成，對于地震能量可以起到良好的消散作用，后者是由纖維耗能螺栓以及限位板組成，通過耗能螺栓，也可以對地震所產(chǎn)生的能量起到一個很好的消散作用。

表1 相關施工標準

在本次工程所應用的減隔震支座之中，通過對可以正常應用的轉動面設計以及滑動面設計來實現(xiàn)摩擦耗能，并通過非線性的阻尼輻彈塑性變形以及耗能螺栓實現(xiàn)間斷耗能，進而讓這個減隔震支座實現(xiàn)了多級設防功能。在發(fā)生地震之后，僅僅需要對這個減隔震支座之中的彈塑性鋼阻尼元件以及限位裝置進行維修或者更換即可，進而有效避免地震所產(chǎn)生的能量造成橋梁的偏移、變形以及損壞，讓橋梁的抗震性能實現(xiàn)了良好的優(yōu)化。在工程的具體施工之中，為了有效減輕連接位置上的復雜受力情況，避免E型的阻尼元件由于應力集中而遭到破壞的情況發(fā)生，將非線性的阻尼元件應用到了這個減隔震基座之中，通過這一元件的應用，有效提升了該減隔震支座的抗疲勞行性能，進而使其減隔震性能極其防落梁功能都得以顯著提升，讓這個減隔震支座在本次工程的橋梁優(yōu)化之中發(fā)揮出了充分的作用與優(yōu)勢。

2.2 減隔震支座的減隔震原理應用分析

當減隔震支座處于正常的使用情況下的時候，需要借助于限位裝置來給這個水平支座提供出一個水平力，這樣就使得減隔震支座處在一種彈性的工作階段之中，可以有效保障減隔震支座的穩(wěn)定性，使其不僅可以在正常的狀態(tài)之下保持穩(wěn)定，同時也可以在受到收縮徐變制動力等很多荷載作用條件下有效滿足常規(guī)運動的需求。

在E1級的地震狀態(tài)之中，減隔震支座本體以及其中的限位裝置都將處于一種彈塑性的工作狀態(tài)之中，如果發(fā)生了強度地震，在地震的作用之下，減隔震支座之中的限位裝置就會出現(xiàn)一定的變化，但是這種變化依然會在減隔震支座限位裝置的可承受范圍之內，所以并不會對減隔震裝置造成多大的影響，支座依然可以正常使用。同時，在地震的作用之下，減隔震支座的設計位移會出現(xiàn)一定程度的變化，這個變化主要是沿著其滑力的方向來進行限位裝置的限位操作，此時的水平荷載將會分擔其固定支座以及活動支座之中的載荷，進而有效降低固定支座的受力情況。

在E2級的地震狀態(tài)之中，減隔震支座本體會處于一種彈性的工作狀態(tài)之中，此時其支座運動方向上的限位裝置將會被剪斷，非線性的阻尼輻將會進入其中，并使之出現(xiàn)一定程度的塑性變形，但是并不會出現(xiàn)斷裂的情況，此時，在摩擦力以及阻力的作用之下，減隔震支座將會使地震所產(chǎn)生的能量得到一定程度的降低，進而減輕地震作用對橋體和減隔震支座產(chǎn)生的沖擊作用。借助于減隔震支座良好的抗震能力以及位置的可移動性，在發(fā)生較大地震的時候，可以有效保障橋梁的穩(wěn)定性，避免橋梁交通中斷情況的發(fā)生。

3 橋梁的減隔震分析

3.1 分析模型的建立

在對減隔震支座的抗震效果進行分析的過程中，主要的分析方法包括動力時程法、功率譜法以及反映譜法。在本次工程之中，主要是通過非線性動力時程法來進行減隔震支座抗震性能的分析。

在具體的分析過程中，利用有限元分析軟件來深入分析橋梁基本數(shù)據(jù)，并建立起一個三維的橋梁單元，對主梁、樁基以及橋墩進行模擬，通過m參數(shù)計算等價土彈簧剛度來進行樁土作用的模擬。將橋塔與主梁之間固接好，然后通過多段性的塑性隨動強化模型來進行橋梁減隔震支座的模擬，這樣就可以讓主梁與橋墩之間實現(xiàn)良好的連接。在E2級的地震作用狀態(tài)之下，分別進行非減隔震支座橋梁的動力時程分析以及減隔震支座橋梁的動力時程分析。

3.2 橋梁減隔震分析結果

首先是對減隔震支座結構的自振周期進行對比，表2就是本次分析之中的對比結果。在進行對比分析的過程中，主要是按照應用減隔震支座和不應用減隔震支座這兩種情況來進行橋梁結構情況的對比和分析。

表2 墩底彎矩對比分析結果

由上表可以看出，與沒有設置減隔震支座的橋梁結構相比，設置了減隔震支座的橋梁結構可以有效延長其自振周期，在前三個階段之中，其自振周期的延長率分別為67%、118%和214%，平均抗震周期延長了133%。同時，通過本次的分析發(fā)現(xiàn)，在振型發(fā)生變化的情況下，通過減隔震支座的應用，可以讓橋梁的結構得到明顯改善，進而使其變形情況也在一定程度上獲得改善。

其次是對減隔震支座的結構內力進行對比分析。在本次工程的分析之中，主要是通過對減隔震支座以及非減隔震支座的相關情況進行對比分析，并進行關鍵橋墩的情況分析。下表就是具體的分析情況：

表3 橋墩剪力分析結果

通過上表可以看出，與非減隔震支座相比，將減隔震支座應用到橋梁的抗震優(yōu)化之中，其順橋向以及橫橋向墩底彎矩分別減少了40%和83%，剪力分別減少了39%和70%。由此可知，通過減隔震支座的應用，使得本次工程之中的橋梁得到了良好的優(yōu)化。

4 結束語

綜上所述，在進行橋梁的抗震優(yōu)化過程中，減隔震支座的應用屬于一個十分關鍵的設計環(huán)節(jié)。本文通過對哥斯達黎加32#公路修復與擴建項目之中減隔震支座的應用進行分析，發(fā)現(xiàn)通過設置減隔震支座可有效延長結構周期，從而減小地震作用，降低工程造價，有效為項目增值。