拉索減震支座在人行天橋中的應用

余偉娜，林 玉，于訓濤

（1.浙江省湖州市交通工程處，浙江湖州330500；2.浙江省樂清市路橋工程有限公司，浙江樂清 325600；3.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近幾十年來，減隔震技術作為提高結構抗震性能的一種技術得到了廣泛發(fā)展和應用。減隔震技術通過采用減隔震裝置來盡量將結構或構件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開來，大大減少傳遞到上部結構的地震力和能量[1]。

橋梁減隔震設計中最重要的是減隔震裝置的合理設計，目前應用最為廣泛的減隔震裝置是減隔震支座。一個合適的減隔震支座應能支承結構，延長周期和增加阻尼。在選擇一個隔震系統(tǒng)時，還應從正常使用條件出發(fā)，仔細考慮隔震裝置其它的一些參數(shù)，如：恒載下的承載能力、變形能力、變形后的自復位能力，以及環(huán)保和經濟性等。常用的減隔震支座有分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動摩擦型減隔震支座和拉索減震支座等。

由于鉛芯橡膠支座生產使用過程中對環(huán)境產生污染；摩擦型支座價格較高，一般用于大跨度橋梁中，在中小跨徑橋梁中應用較少；拉索支座成功克服了傳統(tǒng)支座限位能力不強的弱點，能最大程度避免地震中落梁等現(xiàn)象的發(fā)生，并在地震后可復位。此外，拉索減震支座制造技術成熟，相較于同類型產品造價也相對較低。綜合對比環(huán)保因素和經濟因素，考慮到本工程自身特點，最終選用的是拉索減震支座。

減隔震支座對比見表1。

本文針對某人行天橋，考慮順橋向和橫橋向地震動輸入，并采用非線性時程分析方法計算地震響應，分析拉索減震支座在人行天橋中應用的減隔震效果，對拉索支座參數(shù)進行了優(yōu)化，得出相應的結論。

表1 減隔震支座對比表

1 拉索減震支座簡介

拉索減震支座是近些年新興的一種摩擦型減隔震支座（見圖1），將普通支座與拉索裝置限位性能有機結合起來。當正常使用狀態(tài)時候，拉索不發(fā)揮限位功能，支座就是一般的球鋼支座；在地震下，支座滑動到一定范圍時候，拉索開始提供額外約束，限制上部梁體與下部橋墩之間的相對位移，避免發(fā)生落梁[2-4]。

圖1 拉索減震支座

拉索減震支座試驗的滯回曲線見圖2。有限元模型中拉索支座恢復力模型見圖3，圖中K1為非線性分析工況的屈服前剛度，K2為非線性分析工況拉索水平剛度，D為拉索減震支座的自由程。當支座移位不超過自由程位移時，拉索不發(fā)揮限位功能，恢復力模式應與盆式橡膠支座恢復力模式一致；當支座移位超過自由程位移后，拉索提供額外約束，此時恢復力曲線的斜率為拉索的約束剛度。

圖2 拉索減震支座滯回曲線

圖3 有限元模型中拉索支座恢復力模型

2 算例分析

本章以某人行天橋為背景，對上述減隔震裝置的應用及其減震效果進行了分析。人行天橋主橋采用兩跨連續(xù)梁兩端帶懸臂結構，跨徑布置為5 m+34 m+20 m+5 m=64 m；主梁采用鋼箱梁，寬度為7 m，梁高1.4 m。橋墩采用墻式實體墩，基礎采用φ800 mm鉆孔灌注樁。梯道橋采用三跨連續(xù)結構，結構形式為鋼板梁,采用φ800 mm樁+φ600 mm柱的基礎形式。主梁材料為Q345C，橋墩材料為C35混凝土，樁基礎采用C30混凝土。

結構分析采用有限元軟件Midas Civil，計算模型中主梁、橋墩、承臺、梯道橋、立柱均離散為空間梁單元，支座采用非線性連接單元模擬。邊界條件考慮梯道橋對于主橋的影響，樁土相互作用采用承臺底6×6剛度矩陣模擬。計算模型見圖4，主橋橋墩從左至右編號為P1、P2、P3。

該橋位于地震烈度Ⅶ度區(qū)，抗震設防標準為丙類，特征周期0.65 s，最大地震峰值加速度為0.1 g。通過擬合得到三條人工地震波，經過驗證三條人工波時程相關系數(shù)的絕對值均小于0.1，和目標反應譜吻合較好。最終采用這三條人工波進行地震響應計算，計算結果取三條波計算結果的包絡值。

圖4 三維模型圖

3 拉索支座參數(shù)分析

常規(guī)設計下，縱橋向主橋P2墩為固定墩，兩個邊墩為活動墩；橫橋向所有墩均為固定墩。由于所處場地的地震動峰值加速度較大，固定墩的地震響應較大，往往需要增加截面和配筋以提高構件的抵抗地震的能力，較不經濟，故應考慮采用減隔震設計。模擬減隔震方案初步定為：P1～P3墩均布置拉索減震支座，順橋向和橫橋向初始自由行程均為0.30 m，在Midas Civil軟件中，拉索減震支座采用滯回單元+勾單元+間隙單元組合模擬。拉索支座參數(shù)見表2。

表2 減隔震支座參數(shù)

為了了解拉索支座對結構的減隔震效果，本文首先比較了常規(guī)設計下和采用拉索支座后的結構地震響應，見表3。

表3 常規(guī)設計與減隔震設計地震響應對比

從表3可以看出，順橋向地震動輸入時，常規(guī)設計中P2為固定墩，橋墩的剪力和彎矩均明顯大于其余墩；而采用減隔震設計后，三個墩共同承擔地震力，三個墩的墩底剪力和彎矩相近，原固定墩P2墩的地震響應明顯減小。橫橋向地震動輸入時，常規(guī)設計中三個橋墩橫向均全固定，地震響應在三個墩基本呈現(xiàn)均勻分配；采用減隔震方案設計后，由于支座摩擦延長了結構的橫向周期，故三個橋墩的地震響應分配沒有變化，但是數(shù)值大幅度減小。

圖5為減隔震設計拉索支座的支座滯回曲線，可以看出與拉索支座恢復力模型吻合，證明了程序中支座的模擬準確性。

圖5 拉索支座滯回曲線圖

為了得到更優(yōu)化的支座參數(shù)，本文擬定了以下五個減隔震方案，P1～P3墩均布置拉索減震支座，順橋向和橫橋向初始自由行程相同，五個方案的自由程取值從0.20～0.50 m。拉索減震支座參數(shù)見表4。

表4 減隔震方案參數(shù)表

從圖6～圖7可以看出，隨著拉索自由程的增大，縱向墩底彎矩降低幅度不大；橫向墩底彎矩近似成線性下降。利用反應譜曲線可以解釋這一點：自由程越大，支座的滑動范圍也就越大，支座耗能也就越多，越能夠延長結構的周期。本橋的縱向振動的周期離反應譜曲線平臺段較遠，故延長周期后地震響應的減小不是很大；而橫向振動的周期靠近反應譜曲線平臺段，所以延長周期后，可以看到地震響應下降明顯。

圖6 墩底縱向彎矩對比圖

圖7 墩底橫向彎矩對比圖

對于拉索支座本身而言，也要滿足地震下不被破壞，圖8～圖9比較了縱向輸入和橫向輸入下，自由程變化對拉索支座的位移的影響?？梢钥闯觯S著拉索支座自由程增大，縱向輸入和橫向輸入的支座位移都呈線性變化，主要位移為拉索自由程，拉索的自身的拉伸變形很小，支座位移都在容許的范圍內。

圖8 支座縱向位移對比圖

圖9 支座橫向位移對比圖

綜上，最終本工程選取的方案5，即自由程選取的是0.40 m，并驗算了此工況下結構的墩底截面、樁頂截面和支座能力，驗算結果均滿足要求。

4 結論

本文以某人行天橋為研究對象，分析了一種拉索減震支座在該類橋梁減隔震設計中應用的可能性。建立了該橋三維有限元模型進行分析，對拉索支座的減隔震效果進行了評價，并通過優(yōu)化拉索支座，選取了合適的支座參數(shù)，最終結構滿足要求。

（1）地震作用下，采用常規(guī)設計的固定墩的地震響應較大，驗算很難通過。采用拉索減震支座后，地震響應平均到各個橋墩，同時改變結構周期，減小地震響應。

（2）本文將拉索減震支座應用到人行橋中，既發(fā)揮了支座滑動摩擦耗能的特點，又通過拉索的限位保證了不會發(fā)生落梁。

（3）拉索自由程直接影響拉索支座的減震性能，通過對比多種自由程參數(shù)結果，發(fā)現(xiàn)對于本橋而言，適當增加支座的拉索自由程能提高支座的減震效果。

[1]范立礎,王志強.橋梁減隔震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]袁萬城,王斌斌.拉索減震支座的抗震性能分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2011,39(8):1127-1131.

[3]袁萬城,韋正華,曹新建,等.拉索減震支座及橋梁抗震設計應用研究[J].工程力學,2011(28):204-209.

[4]袁萬城,曹新建,榮肇駿.拉索減震支座的開發(fā)與試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報,2010,31(12):1594-1600.