大跨度鋼桁架拱橋減隔震體系分析

□文/茹 毅 楊立坡

橋梁結(jié)構(gòu)在地震過程中若遭到破壞，會造成嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟損失；因此，橋梁抗震設(shè)計現(xiàn)已成為橋梁設(shè)計的重要組成部分。

減隔震技術(shù)是提高橋梁抗震能力的主要方法之一，在國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計中廣泛應(yīng)用；通過引入隔震裝置改變結(jié)構(gòu)在地震中的動力響應(yīng)特性，從而減小地震輸入，同時通過其自身或附加的高阻尼裝置來消耗地震能量，其基本目標(biāo)是減小傳遞到結(jié)構(gòu)上的地震力和能量，使橋梁下部結(jié)構(gòu)處于彈性反應(yīng)范圍[1]。

本文以某大跨度鋼桁架拱橋為工程背景，對該橋進(jìn)行了基于常規(guī)約束體系和減隔震約束體系的抗震分析，為此類橋梁的抗震設(shè)計提供參考。

1 工程概況

某跨河橋主橋采用中承式桁架拱橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為46 m+160 m+46 m，主橋全長為252 m、寬46 m。拱肋采用兩片鋼箱桁架，橫橋向間距為32.5 m。每片拱肋分上弦和下弦，通過腹桿連接。弦桿橫斷面為1.5 m×1.5 m 的矩形。在拱頂位置，上下弦桿中心距為4.5 m；拱腳位置，上下弦桿中心距約為17.7 m。拱頂至拱腳之間高度為40.5 m，矢跨比0.253，橋面以上拱肋高度為33.5 m。主橋中墩采用1.8 m 樁徑群樁基礎(chǔ)接圓端形片墩，見圖1。主橋連接墩采用1.8 m樁徑單樁接矩形墩。

橋位設(shè)防烈度為7度，場地類型為Ⅲ類，場地基本特征周期0.40 s，設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.15g。

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立有限元模型，主拱、縱梁、橫梁、系桿、平聯(lián)及墩柱均采用梁單元模擬，承臺底建立6×6 剛度矩陣以模擬樁土作用。見圖2。

圖1 中墩基礎(chǔ)布置

圖2 有限元模型

采用直接積分法對橋梁空間有限元模型進(jìn)行時程分析，時程波取自工程場地地震安全性評價報告。本文主要進(jìn)行E2地震作用分析，地震輸入方式為縱橋向+豎向和橫橋向+豎向兩種。

2 基于常規(guī)約束體系的抗震分析

在不考慮減隔震措施的情況下，進(jìn)行了抗震分析。邊界條件采用常規(guī)約束體系：縱橋向一個主墩處采用縱向約束支座，其余墩位處縱向約束放開；橫橋向一側(cè)墩位處采用橫向約束支座，另一側(cè)墩位處橫向約束放開[2]，見圖3。

圖3 常規(guī)約束體系

常規(guī)約束體系下，基本周期為1.049 s。桁架拱肋在地震作用下的應(yīng)力計算結(jié)果見表1；墩底及承臺底的地震力計算結(jié)果見表2。

表1 E2地震作用下常規(guī)約束體系拱肋應(yīng)力MPa

表2 E2地震作用下常規(guī)約束體系墩底及承臺地震力

由表1和表2可知：E2地震作用下拱腳下弦應(yīng)力最大，受力狀態(tài)最為不利，但主拱采用Q345鋼，拱肋在E2地震作用下仍能保持彈性工作狀態(tài)；墩底及承臺水平力及彎矩較大，遠(yuǎn)超常規(guī)體量墩柱及樁基承載能力，E2地震作用下若要求墩柱及樁基保持彈性狀態(tài)會使得下部結(jié)構(gòu)尺寸和規(guī)模大幅增加。

3 基于減隔震體系的抗震分析

常規(guī)約束體系下，縱橫橋向地震力分別集中作用于縱橫橋向兩個固定墩上，無法使四個中墩共同參與受力。減隔震設(shè)計時，考慮通過合理的布置減隔震裝置，使地震力在各墩柱上合理分配，同時增加結(jié)構(gòu)周期以減小地震力[3]。

基于鋼桁架橋梁跨徑大、自振周期短的結(jié)構(gòu)特點，采用摩擦擺支座是一種理想的減隔震方法。摩擦擺支座具有施工簡便、造價低、承載力高等特點[4]；在地震作用下，摩擦擺支座上下部分可以在曲面上自由的擺動，自重作用下支座有自恢復(fù)的效應(yīng)。支座通過滑動界面摩擦消耗地震能實現(xiàn)減震目的，通過球面延長梁體運動周期實現(xiàn)隔震功能。摩擦擺的雙線性滯回模型[5]見圖4。

圖4 摩擦擺支座滯回模型

初步抗震設(shè)計時，考慮在中支點位置處采用球面曲率半徑為4 m的摩擦擺減隔震支座，見圖5。正常使用情況下支座可按設(shè)計位移方向自由滑動。E2地震力作用下支座剪力銷剪斷，摩擦擺支座可在任意方向擺動，達(dá)到減震功能。

圖5 減隔震約束體系

采用摩擦擺支座減隔震約束體系后，E2地震作用下拱肋應(yīng)力見表3，墩底及承臺底的地震力見表4。

表3 E2地震作用下減隔震約束體系拱肋應(yīng)力

表4 E地震作用下減隔震約束體系墩底及承臺反力

由表3 和表4 可知：采用摩擦擺支座減隔震體系后，縱橫向E2地震作用下，拱腳下弦拱肋應(yīng)力比常規(guī)約束體系減小了50%；縱向地震作用下，橋墩底面地震力減小了88.3%，承臺底面地震力減小了66.9%。橫向地震作用下，橋墩底面地震力減小了76.6%，承臺底面地震力減小了52.7%。減隔震體系下，固定墩位處地震力顯著減小，墩柱及樁基礎(chǔ)能夠保持彈性狀態(tài)。可以看出，在拱腳與橋墩之間設(shè)置摩擦擺支座能夠有效提高鋼桁架拱橋抗震性能。

4 摩擦擺參數(shù)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的內(nèi)力隨著周期的增加而減小，位移響應(yīng)隨著周期的增加而增大。減隔震設(shè)計往往需要在力與變形之中取得平衡，要得到好的減震效果應(yīng)進(jìn)行減隔震裝置設(shè)計參數(shù)的比選分析。

摩擦擺支座隔震周期[6]

式中：T——隔震周期，s；

R——支座滑動面半徑，m；

g——重力加速度，m/s2。

從式（1）可以看出，摩擦擺支座的滑動面半徑對橋梁隔震周期影響較大，進(jìn)而會影響地震作用下結(jié)構(gòu)位移。為研究摩擦擺滑動面半徑橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，分別計算支座曲率半徑為3.0、4.0、5.0 m 時地震力作用下的墩底彎矩和梁端位移，見表5。

表5 不同支座曲率半徑橋梁結(jié)構(gòu)E2地震響應(yīng)

由表5可知：隨著摩擦擺支座曲率半徑的增大，地震作用下墩底水平力逐漸減小。不同支座曲率半徑對減震率影響較小，主要是因為常規(guī)約束體系E2地震力較大，即減震率基數(shù)較大。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，該橋梁在常規(guī)約束體系下自振周期較小，基本周期僅為1.049 s。然而各摩擦擺支座半徑對應(yīng)隔震周期均已數(shù)倍于此數(shù)值，在此隔震周期變化范圍內(nèi)，地震力的大小對隔震周期已不敏感；隨著摩擦擺支座曲率半徑的增大，梁端位移逐漸增大。支座曲率半徑取5 m時，其縱、橫向地震作用下梁端位移比支座曲率半徑取3 m 時分別超出64、49 mm。由于正常使用情況下橋梁結(jié)構(gòu)縱橫向變形較小，伸縮縫及擋塊等構(gòu)件對位移量比較敏感，因此支座曲率半徑增大引起的地震梁端位移的增加應(yīng)得到重視。

針對該橋梁，考慮到支座曲率半徑增大時地震力減小有限，為盡量減小地震力作用下的梁端位移，宜使用較小的摩擦擺曲率半徑。

5 結(jié)論

1）在地震力作用下，拱肋拱腳下弦及下部結(jié)構(gòu)受力較為不利。與常規(guī)約束體系相比，采用摩擦擺減隔震體系，能大幅減小拱肋應(yīng)力及下部結(jié)構(gòu)地震力。在拱腳與橋墩之間設(shè)置摩擦擺支座能夠有效提高鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)抗震性能。針對文中橋梁結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計關(guān)鍵點在下部結(jié)構(gòu)。

2）隨著摩擦擺支座曲率半徑的增大，有墩底水平力減小、梁端位移增大的趨勢。采用摩擦擺支座減隔震體系時，為得到好的減震效果應(yīng)對摩擦擺支座半徑進(jìn)行比選分析，綜合考慮地震力和地震位移，以選用適當(dāng)?shù)那拾霃健ａ槍ξ闹袠蛄航Y(jié)構(gòu)，由于其常規(guī)約束體系下自振周期較小，采用小半徑摩擦擺支座更加合理。