基于摩擦擺支座和鋼阻尼器的大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋支座抗震應(yīng)用分析

劉俊旺

（天津高速公路集團(tuán)有限公司，天津 300000）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，公路改擴(kuò)建工程如火如荼，其中，大跨徑混凝土連續(xù)箱梁抗震技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在此過(guò)程中，減隔震技術(shù)和被動(dòng)控制技術(shù)以及主動(dòng)控制技術(shù)、混合控制技術(shù)等都在不斷地提升、完善。相關(guān)理論依據(jù)顯示[1]，串聯(lián)體系如果搭配加權(quán)體系并達(dá)到最優(yōu)效果，可以有效提升橋梁的抗震效果。

吳文朋等[2]曾通過(guò)易損性分析來(lái)研究橋梁參數(shù)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)抗震程度是否呈正相關(guān)，結(jié)果顯示，初始橋梁剛度和橋梁系統(tǒng)的抗震性呈現(xiàn)正相關(guān)。

劉釗等[3]通過(guò)IDA 方法，評(píng)估證明減隔震支座體系的橋墩損壞率比普通降低50%。摩擦擺支座具有自身的特性，即它的圓弧滑動(dòng)面可以自動(dòng)復(fù)位。這一特性不僅可以極大程度地降低隔震支座的位移，讓它在震后迅速?gòu)?fù)原。

本研究以濱海地區(qū)某高速公路跨河大跨徑連續(xù)梁為研究對(duì)象，對(duì)JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座和鋼阻尼器抗震進(jìn)行分析，評(píng)估減隔震支座力學(xué)性能，同時(shí)建立有限元模型，對(duì)摩擦擺支座在今后的應(yīng)用提出了建議。

1 基于摩擦擺支座和E 型鋼阻尼器的橋梁抗震性能分析

某跨河大橋?yàn)? 跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋型布置為(100+160+100)m，采用左、右兩幅的分離式雙線橋設(shè)計(jì)，左、右線均采用單箱單室變截面連續(xù)箱梁。箱梁底寬為6.25m，中間支點(diǎn)處梁高9.5m，跨中處梁高3.5m，梁底曲線采用1.8 次拋物線。跨支點(diǎn)處梁高9.5m（與跨徑的比值為1/16.84），跨中梁高3.5m（與跨徑的比值為1/45.71），梁高按1.8 次拋物線變化。主橋下部主墩采用12.45×5m 的圓端形實(shí)體墩，基礎(chǔ)為24φ1.8m 鋼筋混凝土鉆孔群樁。邊墩為9.85×3.6m 的圓端形實(shí)體墩，基礎(chǔ)為8φ1.5m 鋼筋混凝土鉆孔群樁。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，本段工程場(chǎng)地地震基本烈度為7 度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g。橋梁抗震設(shè)防分類為B 類，按8 度采取抗震設(shè)防措施。

以采用必要的措施使其能夠在地震作用下具有良好的減隔震效果為目的，對(duì)摩擦擺支座、E 型鋼阻尼器對(duì)大跨徑混凝土連續(xù)箱梁的影響進(jìn)行研究、實(shí)際驗(yàn)證及測(cè)試。

1.1 JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座設(shè)計(jì)

1.1.1 根據(jù)該橋特點(diǎn)，采用摩擦擺支座與E 型鋼阻尼器相結(jié)合的減隔震設(shè)計(jì)。主要參數(shù)如表1 所示。

表1 摩擦擺支座與E 型鋼阻尼器相結(jié)合的減隔震設(shè)計(jì)參數(shù)

摩擦擺支座的曲率半徑R=4.0m 時(shí)，摩擦擺系統(tǒng)的隔震周期為：。支座擺動(dòng)時(shí)，大橋主橋體系的周期為：T＝（T12＋T'2）1/2＝4.17s，約為隔震前結(jié)構(gòu)自振周期（1.29s）的3.2 倍。

1.1.2 E 型鋼阻尼器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)為：固定墩上安裝4 個(gè)E型鋼阻尼器將主墩與主梁進(jìn)行連接，阻尼器型號(hào)為125t，位移量為350mm。

1.2 結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容及模型

本次分析目的是檢驗(yàn)E1 地震作用下橋梁、墩身、JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座是否處在彈性范圍，得出支座限位力；檢驗(yàn)E2 地震作用下JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座減隔震效果，以及橋梁、墩身受力情況，得出摩擦擺支座位移量。

具體的做法是：選用合適的地震波（E1：50 年63%概率；E2：50 年2%概率）進(jìn)行時(shí)程分析。在E1 工況下，JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座處于彈性狀態(tài)，因此結(jié)構(gòu)模型按常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算，支座采用普通連接單元模擬；通過(guò)計(jì)算得出墩頂剪力作為支座的限位力。在E2 工況下，JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座的限位裝置被剪斷，結(jié)構(gòu)模型采用摩擦擺單元模擬；計(jì)算摩擦擺在地震作用下的滯回位移，得出支座設(shè)計(jì)位移量。

橋梁箱型梁體被劃分為若干個(gè)梁?jiǎn)卧瑯蚨毡粍澐譃?0 個(gè)梁?jiǎn)卧瑯蛄河邢拊Ｐ腿鐖D1 所示。主梁采用beam 單元，截面采用其變截面；支座布置E1、E2 設(shè)置不同，詳見(jiàn)后面介紹。在計(jì)算中，以設(shè)計(jì)單位提供梁及墩?qǐng)D紙進(jìn)行建模，以二期恒載作為質(zhì)量附屬于所建模型的節(jié)點(diǎn)上；在建立質(zhì)量矩陣時(shí)直接將其荷載轉(zhuǎn)化成質(zhì)量。在地震響應(yīng)分析中，樁基剛度按照承臺(tái)底固結(jié)處理。

圖1 橋梁有限元模型

1.3 抗震分析結(jié)果

考慮了縱向地震和橫向地震，地震波采用的是50 年概率63%。E1 縱向地震線性時(shí)程分析：該工況下，地震加速度峰值PGA=0.57m/s2，約為0.058g，地震力很小，因此橋梁、橋墩、樁基、摩擦擺支座仍然處在線性狀態(tài)；橋梁縱向地震力僅由固定墩承擔(dān)，其余墩僅承擔(dān)自身慣性力。通過(guò)計(jì)算邊墩摩擦擺支座縱向地震力下位移量，三條地震波分別為：282mm、323mm、277mm；支座最大水平為684kN，還不足支座噸位的10%。

表2 僅給出E2 橫向地震時(shí)各墩受力，各墩受力均比較小，中墩最大墩頂剪力僅為10188kN。通過(guò)計(jì)算橫向地震摩擦擺支座需要的位移量為340mm。

表2 橫向地震各墩受力情況（單位：kN、m）

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）的要求建立有限元模型，然后分別計(jì)算E1 工況地震響應(yīng)及E2 工況地震響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

（1）E1 工況下依靠JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座的限位裝置抵抗地震力不可行，因?yàn)楣潭ǘ誆1 地震下縱向力高達(dá)20185kN，超出墩身、樁基承載能力。故摩擦擺支座限位力為支座噸位的10%，可以滿足汽車制動(dòng)力、溫度等常規(guī)荷載。

（2）E2 工況下，JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座發(fā)揮減隔震作用，減小橋墩的最大彎矩及墩底的剪力，墩頂水平力、墩底彎矩受力很小，減隔震效果理想。

（3）通過(guò)計(jì)算，在固定墩上設(shè)置4 個(gè)125t E 型鋼阻尼器，摩擦擺支座縱向位移需要±315mm。橫橋向沒(méi)有設(shè)置E 型鋼阻尼器，橫向位移需要±340mm，縱向位移小于橫向位移，是因?yàn)樵O(shè)置在固定墩的E 型鋼阻尼器發(fā)揮了作用。

（4）JZQZ 摩擦擺錘式減隔震球型支座利用球面提供回復(fù)力，使地震后橋梁自動(dòng)復(fù)位。

2 摩擦擺減隔震支座力學(xué)性能分析

支座的豎向設(shè)計(jì)承載力分2 級(jí)：15000kN、70000kN，以70000KN 為例，對(duì)支座主要零件關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，其中一部分結(jié)果如下。

2.1 耐磨板、球面耐磨板參數(shù)計(jì)算

本支座取1540mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）耐磨板的厚度h：按標(biāo)準(zhǔn)要求h 取7mm。

2.2 球冠襯板的參數(shù)計(jì)算

（1）球冠襯板的轉(zhuǎn)動(dòng)曲率半徑SR：依據(jù)國(guó)外球型支座的經(jīng)驗(yàn)取值：1.2·d ≤SR ≤2.8·d，1.2×1400 ≤SR ≤2.8×1400，1680 ≤SR≤3920，本支座取1830mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）球冠襯板的隔震曲率半徑SR1：按設(shè)計(jì)要求SR1 取4m。

（3）球冠襯板外圓直徑dc：

dc=2·SR·θ+d=2×1830×0.02+1400=1436.6，本支座取1780mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 剪斷裝置中銷釘?shù)膮?shù)計(jì)算

本支座取30mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 摩擦擺減隔震結(jié)構(gòu)的水平剛度計(jì)算

滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 混凝土局部承壓應(yīng)力檢算

滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)果顯示，大橋用15000kN 和70000kN 的摩擦擺支座各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)檢算后均能滿足性能指標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3 摩擦擺減隔震支座有限元分析

3.1 有限元模型

本分析以70000kN 支座為例，校核70000kN 摩擦擺減隔震球型支座強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。為了精準(zhǔn)模擬支座彈性支撐邊界，支座上下兩面建立了60mm 厚的混凝土塊，荷載（70000kN）施加在上混凝土塊的上表面上；約束下混凝土下表面垂直方向位移并固定其中心點(diǎn)，并在對(duì)稱面處施加對(duì)稱邊界。

本模型是微量相對(duì)滑動(dòng)，所以部件間的接觸都設(shè)置成不分離。

3.2 計(jì)算結(jié)果

（1）整體受力狀態(tài)：整體應(yīng)力較大的區(qū)域分布在上支座板的外側(cè)及下支座板的中心區(qū)域，最大應(yīng)力為94MPa，整體結(jié)構(gòu)在豎向力下的位移為0.36mm。

（2）上支座板受力：上支座板等效應(yīng)力在環(huán)耐磨板區(qū)域出現(xiàn)最大值，最大值為94MPa，從環(huán)耐磨板區(qū)域向兩邊逐漸遞減。

（3）耐磨板受力：耐磨板等效應(yīng)力分布圖如圖2 所示。

圖2 耐磨板等效應(yīng)力云圖

（4）球冠襯板受力：球冠襯板中心區(qū)域受力均勻，最大等效應(yīng)力為58MPa。

（5）下支座板受力：下支座板等效應(yīng)力在中心區(qū)域出現(xiàn)最大值，最大值為76.3MPa，從中心區(qū)域向兩邊逐漸遞減，具體如圖3。

圖3 下支座板等效應(yīng)力云圖

通過(guò)以上的分析結(jié)果可見(jiàn)：70000kN 摩擦擺減隔震球型支座各部件受力狀況良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4 結(jié)論

本研究成果可以廣泛應(yīng)用于同類橋梁設(shè)計(jì)施工中，并因其易于推廣、應(yīng)用范圍廣闊而具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)摩擦擺支座的研究取得了不菲的成果，然而該工作仍然有很多問(wèn)題亟待解決，比如實(shí)際工作中具體的壓力、溫度都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成影響，技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新仍任重道遠(yuǎn)。