基于摩擦擺式減隔震支座的矮墩連續梁橋抗震設計

摘要 文章以某7度區連續梁橋為工程背景，運用非線性時程分析方法分別對（72+120+72）m連續梁橋采用盆式支座的常規體系、采用摩擦擺支座的減隔震體系進行地震響應分析，同時結合動力分析結論對橋墩樁基構造、配筋及其摩擦擺支座參數進行精細設計，以保證摩擦擺支座能夠充分發揮作用，確保橋梁達到預期的抗震性能目標。

關鍵詞 減隔震設計；摩擦擺支座；連續梁橋；非線性時程分析

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0072-03

0 引言

地震一直以來是工程建設中不可忽視的自然災害。我國接近30%的城市[1]處于抗震設防烈度大小于7度的地區，其中橋梁結構作為交通運輸的主要組成部分，其抗震設計至關重要。

橋梁減隔震體系是通過設置可以延長橋梁結構自振周期的減隔震支座實現減震功能。近年來，減隔震支座用于連續梁橋較為普遍[2]。劉得運[3]根據不同墩高下不同減震體系的減震效果，確認了墩高的適用范圍；黃潤[4]通過有限元模擬小跨徑使用減隔震支座與盆式支座的連續梁橋，發現采用減隔震支座的橋梁樁柱結構能夠處于彈性范圍內；劉峰[5]將摩擦擺支座與黏滯阻尼器配合使用在大跨度連續梁橋中，能夠達到較為理想的減震、隔震效果；殷建強[6]通過比較延性設計及減隔震設計的矮墩連續梁橋的地震響應，發現矮墩連續梁橋設置摩擦擺減支座可以改善結構抗震性能，但矮墩延性設計的樁基則會被破壞。

由此可知，在矮墩連續梁橋中，摩擦擺支座運用于減隔震體系較為普遍。因此，該文以某三跨預應力連續梁橋為例，運用非線性時程分析方法分別對采用盆式支座的常規體系、采用摩擦擺支座的減隔震體系進行地震響應分析，并根據抗震要求對應設計樁柱構造、配筋及其摩擦擺支座參數。

1 工程背景以及計算模型

1.1 橋梁概況

連續梁橋跨徑布置為（72+120+72）m，主梁采用單箱單室截面，頂板寬度為16 m，底板寬度為8 m，翼緣板長度為4 m；箱梁支點斷面梁高為7.5 m，跨中斷面梁高為3 m。主墩采用板墩，順橋向寬3 m，橫橋向寬10.5 m，主墩墩高為12.1 m。主墩兩個墩共用一個承臺，每個承臺下設12根直徑為2.2 m的鉆孔灌注樁；過渡墩采用雙柱式方墩，順橋向寬2 m，橫橋向寬2.2 m，樁徑為1.8 m。

1.2 抗震設防水準及性能目標

根據地震安全評價性報告，橋梁建筑場地類別為Ⅱ類，50年大于2.0%概率水平的基巖動峰值加速度為0.26 m/s2。場地的基本地震動峰值加速度為0.15 m/s2。根據抗震設計規范[7]的研究成果，該橋為B類橋梁。綜合考慮造價、耐久性和修復費用等因素，確定對應地震水平下結構的抗震性能目標，見表1所示：

1.3 地震動輸入

地震波直接選用地震安全評價性報告提供的加速度時程數據，報告分別提供了三條對應于E1地震作用和E2地震作用的地震波。圖1為E2水準下三條水平地震波的時程曲線。

1.4 支座模擬

主橋支座平面布置如圖2所示，按照設置的盆式支座和設置摩擦擺支座分別建立全橋動力模型。

摩擦擺支座設置抗剪銷，在抗剪銷剪斷前，摩擦擺支座不發生滑動，此時的隔震橋梁結構體系與盆式支座體系相同。在E2地震作用下，當支座所承受的地震水平力超過抗剪銷的水平承載能力時，抗剪銷將會被剪斷，摩擦擺支座開始滑動，從而產生位移。盆式支座參數如表2所示，摩擦擺支座參數如表3所示。

2 減震結果分析

采用常規盆式支座和摩擦擺支座減隔震設計相應中墩（盆式支座設置固定支座的橋墩）的底內力、墩頂位移及減震率分別見表4～5所示：

從表4～5可以看出，使用摩擦擺隔震支座后，E2工況下的主墩內力及位移響應明顯下降，減隔震效果顯著。為保證E2工況下的墩柱樁基處于彈性范圍內，橋梁抗震采用減隔震體系。

3 主要構件驗算

3.1 墩柱和樁基驗算

該文分別給出了E1和E2地震作用下相關控制截面的計算結果，以校驗橋梁的兩階段抗震性能是否能夠達到預期目標。E1、E2地震作用下橋墩抗彎能力的驗算結果分別見表6～9所示，此時主墩及過渡墩的墩身配筋率分別為0.91%及1.83%。

根據表6～9計算結果，E1、E2地震作用下橋墩抗彎能力均滿足要求。為不重復篇幅，將E1、E1、E2地震作用下的樁基抗彎能力結果列于圖3中。此時主墩以及過渡墩的樁基配筋率分別為1.35%以及1.39%。由圖3可知，E1、E2地震作用下的樁基抗彎需求比最小為1.2，樁基均處于彈性范圍內，主墩樁基在E1地震橫橋向的能力需求比最小。

依據規范要求，當構件均處于彈性范圍時，可按照橋涵設計規范[8]進行抗剪強度驗算。鑒于E1、E2地震作用下的橋墩樁基都處于彈性，因此只需將E2作用下的橋墩的抗剪驗算結果列于表10，主墩以及過渡墩的抗剪需求比均大于3，滿足抗剪能力。

3.2 位移驗算

地震位移主要包括支座自身位移和主梁梁端位移，地震作用下的支座位移需滿足支座位移量，而主梁梁端位移需滿足伸縮縫伸縮量要求。各墩上橫橋向、順橋向的支座位移及梁端位移見表11所示。計算結果表明，支座順橋向位移峰值是29.7 cm，支座橫橋向位移峰值24.8 cm，所選隔震支座設計的地震位移滿足需求。同時，由于支座位移較大，應注意防落梁措施，橫橋向需保證有足夠的空隙設置擋塊。

主梁過渡墩的梁端位移最大為30.5 cm，因此采用D320伸縮縫，其伸縮量能滿足要求。

4 結論

該文對隔震體系橋梁進行了抗震設計，可以得出以下結論：

（1）采用摩擦擺支座的減隔震裝置后，改變了常規抗震設計中僅由固定墩抗震的不利狀態，固定墩內力及變形響應下降非常明顯，減震率達到40%以上。

（2）在高烈度地震區，地震荷載往往是橋梁設計的控制性荷載。根據抗震設計要求，合理設計下部結構尺寸及配筋量，優化結構設計，保證橋梁結構均處于彈性范圍內。

（3）E2地震作用下的摩擦擺支座位移需求較大，連續梁橋需要驗算支座的位移需求及梁端位移。

參考文獻

[1]丁潔民，吳宏磊，王世玉，等.減隔震技術的發展與應用[J].建筑結構，2021（17）：25-33.

[2]王昊，梁志磊.大跨度矮墩連續梁橋抗震分析研究[J].交通世界，2021（15）：23-24+45.

[3]劉得運，沈大為，賈維君，等.墩高對高烈度區連續梁橋抗震體系的影響[J].公路，2023（3）：170-175.

[4]黃潤.采用摩擦擺式減隔震支座的小半徑曲線連續梁橋減隔震效果分析[J].福建交通科技，2023（2）：45-49.

[5]劉峰，陶詩君，王振海.基于摩擦擺支座的連續梁橋減隔震設計方法[J].公路，2015（6）：111-116.

[6]殷建強，周躍，洪亮，等.基于能力需求比法的矮墩大跨度PC連續梁橋延性和減隔震設計評價[J].中外公路，2021（5）：181-186.

[7]公路橋梁抗震設計規范：JTG/T 2231-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[8]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.