E型鋼阻尼支座在連續(xù)梁橋中的應(yīng)用

范佐銀

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 E型鋼支座簡(jiǎn)介

E型鋼阻尼支座是將E型鋼阻尼元件與支座整合到一起，使之兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，便于產(chǎn)品模數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)，尤其是可以大大簡(jiǎn)化相應(yīng)連接構(gòu)造裝置的設(shè)計(jì)（見圖1）。與E型阻尼元件結(jié)合的支座可以為盆式橡膠支座或者是球型支座，因此在豎向支撐上，完全具備支座的各項(xiàng)性能。

圖1 E型鋼阻尼支座構(gòu)造圖

E型鋼阻尼支座的結(jié)構(gòu)形式如下：E型鋼支座的上下錨碇板（②、12○）分別固定于梁與橋墩之上，上下錨碇板之間是支座本體，支座側(cè)面安裝E型鋼。支座本體為盆式橡膠支座，將橡膠盤⑩放置于鋼制盆式底盤11○內(nèi)，再將鋼制活塞⑨置于底盆內(nèi)的橡膠盤上。橡膠盤允許底盆和活塞之間任何方向的旋轉(zhuǎn)，并和承載極大的豎向荷載而只產(chǎn)生微小變形。底盆內(nèi)的橡膠盤能夠平衡三個(gè)軸面的壓力，其作用原理和油壓缸內(nèi)不可壓縮液體的性能相同。水平力直接由活塞傳遞至底盤。如為固定型E型鋼阻尼支座則支座本體為單向活動(dòng)型，通過滑動(dòng)板③與活塞的滑動(dòng)，來滿足位移的要求。滑動(dòng)板與活塞之間為滑動(dòng)材料。單向活動(dòng)型支座通過導(dǎo)軌13○，引導(dǎo)滑動(dòng)方向并傳遞水平力。支座在橫運(yùn)動(dòng)方向的兩側(cè)添加E型鋼⑦，通過銷釘⑧、14○與焊接在滑動(dòng)板和活塞上的耳板⑥、15○相連。若該支座在鐵路上使用，可以使用保險(xiǎn)銷⑤使焊接與滑動(dòng)板的耳板④和活塞上的耳板⑥連接，使之在較小水平力的時(shí)候滑動(dòng)板與活塞無位移，且E型鋼不受力，當(dāng)遇到較大水平力時(shí)，保險(xiǎn)銷剪斷后E型鋼受力產(chǎn)生作用。

2 E型鋼支座的滯回性能

E型鋼阻尼支座滯回曲線接近于完美彈塑性體，近似雙線性，E型鋼阻尼支座的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 E型鋼阻尼支座的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于成型的E型鋼阻尼支座產(chǎn)品，屈服位移通常取10～15 mm，極限位移均取屈服位移的10倍，極限荷載則為屈服荷載的1.15倍，非線性計(jì)算中滯回曲線按理想雙線性力學(xué)模型。由此可見，成型的阻尼支座荷載-位移關(guān)系僅由屈服荷載參數(shù)唯一確定，參數(shù)設(shè)計(jì)中只需要選擇合適的屈服荷載，并驗(yàn)算其需求即可。E型鋼阻尼支座的滯回曲線可用方程（1）和（2）來描述。

式中：r、k、Fy 由試驗(yàn)確定；α、β被用于計(jì)算 s值。

彈性剛度（k）：結(jié)構(gòu)屈服前的初期剛度；

屈服強(qiáng)度（Fy）：結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度；

屈服后剛度與彈性剛度之比（r）：屈服后的切線剛度與初期彈性剛度之比；

屈服指數(shù)（s）：決定屈服位置曲線形狀的參數(shù)（該值越大，曲線越接近雙線性模型）；

滯回循環(huán)參數(shù)(α)：決定恢復(fù)力曲線形狀的參數(shù)；

滯回循環(huán)參數(shù)(β)：決定恢復(fù)力曲線形狀的參數(shù)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 有限元模型

本文取天水經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)（社棠工業(yè)園）一號(hào)橋工程主橋（41+58+58+58+41）m連續(xù)梁進(jìn)行分析，連續(xù)梁墩高為10 m，基礎(chǔ)由摩擦樁群組成。梁體截面為箱型梁，梁高的板厚均隨跨距變化，以提高梁體的抗彎及抗扭慣性矩。在分析中，每跨箱型梁體劃分成10～30個(gè)梁?jiǎn)卧坏?，墩依?jù)高度及截面不同，由不同的單元數(shù)組成。在計(jì)算中，梁體重量荷載直接轉(zhuǎn)化成單元節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，同時(shí)也將二期恒載作為質(zhì)量附加在梁上。圖3為五跨連續(xù)梁有限元模型，各跨橋墩的墩高不同。

圖3 有限元模型

3.2 減隔震效果計(jì)算

本文對(duì)（41+58+58+58+41）m連續(xù)梁共進(jìn)行了兩種工況的計(jì)算：（1）未設(shè)置E型鋼阻尼支座工況，該工況下固定支座處采用剛性連接單元（釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度），同樣的滑動(dòng)支座將釋放其滑動(dòng)方向自由度及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。（2）設(shè)置E型鋼阻尼支座工況，該工況下在橫橋向設(shè)置了E型鋼阻尼器支座。

針對(duì)以上兩種工況，取三條地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的地震波，采用非線性時(shí)程法對(duì)該橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，計(jì)算出了兩種工況下橋墩控制截面的內(nèi)力。根據(jù)內(nèi)力對(duì)比值可以看出E型鋼阻尼支座的減震效果，見表1～表3所列。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，墩頂?shù)募袅档土?8%以上，墩底彎矩降低了77%；從表2數(shù)據(jù)可以看出，墩頂?shù)募袅档土?2%以上，墩底彎矩降低了77%；從表3數(shù)據(jù)可以看出，墩頂?shù)募袅档土?7%以上，墩底彎矩降低了83%。這說明了安裝E型鋼支座效果非常理想，在罕遇地震下只要求墩頂能承受4134 kN剪力、墩底要求承擔(dān)36420 kN·m即可。顯然這樣的荷載橋墩是很容易設(shè)計(jì)的。

表1 邊墩 E型鋼阻尼支座的減震效果一覽表

表2 第二個(gè)橋墩 E型鋼阻尼支座的減震效果一覽表

表3 第三個(gè)橋墩 E型鋼阻尼支座的減震效果一覽表

4 結(jié)語

通過三種罕遇地震波的時(shí)程分析，未設(shè)置E型鋼阻尼支座墩的受力相當(dāng)大，目前墩的截面尺寸無法滿足。E型鋼阻尼支座在橋梁橫向可以有效地減小墩頂?shù)淖畲髲澗丶凹袅?，尤其?duì)于減小墩底彎矩的作用顯著，可解決高震區(qū)橋墩設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

三種罕遇地震荷載下E型鋼阻尼支座滯回曲線均符合試驗(yàn)結(jié)果，接近完美彈塑性體，（41+58+58+58+41）m連續(xù)梁橋需要的滯回位移為120 mm，只要梁縫大于120 mm，就不會(huì)引起梁之間的碰撞。

通過對(duì)(41+58+58+58+41)m連續(xù)梁橋抗震分析，可得出選用E型鋼阻尼支座能夠抵抗8度地震區(qū)的罕遇地震，而且在罕遇地震作用下，墩自身并未進(jìn)入塑性，僅僅是E型鋼支座中的E型阻尼元件發(fā)生了塑性耗能，地震后僅僅需要更換E型元件即可，而支座的主體仍然可以使用。我國的城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求“小震不壞、中震可修、大震不倒”，而使用E型鋼阻尼支座后抗震水平得到了進(jìn)一步提高“小震不壞、中震大震僅更換阻尼元件”，從這個(gè)角度上講，選用E型鋼阻尼支座的工程經(jīng)濟(jì)性不僅僅反映在目前工程投入費(fèi)用的降低，更是大大降低了震后修復(fù)的費(fèi)用。

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