雙曲面球型減隔震支座在大跨徑梁橋中的應(yīng)用

梁浩杰（佛山市新城開發(fā)建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528000）

雙曲面球型減隔震支座在大跨徑梁橋中的應(yīng)用

梁浩杰
（佛山市新城開發(fā)建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528000）

摘要：本文闡述了雙曲面球型減隔震支座的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要求、工作原理、力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)原理，為了減小地震引起橋梁結(jié)構(gòu)的破壞和提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用雙曲面球型減隔震支座作為本工程的支座類型。本文結(jié)合佛山新城區(qū)某168m主跨連續(xù)箱梁橋的工程實例，主墩采用4個80000kN級GD減隔震球型支座，4個80000kN級DX減隔震球型支座。證明雙曲面球型減隔震支座非常適合于大跨徑橋梁的抗震設(shè)計，并在大跨徑橋梁中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：雙曲面球型減隔震支座；連續(xù)箱梁；大跨徑

1　工程概況

佛山新城區(qū)某水道特大橋全長1036m，基中主橋上部結(jié)構(gòu)采用（109+168+109）m跨PC連續(xù)箱梁， 單箱單室箱型斷面。頂板寬19.3m，底板寬9.7m（加設(shè)腹板下緣后全寬10.1m），兩側(cè)翼緣板懸臂長4.8m。箱梁梁高變化采用2次拋物線，根部梁高H根=10.5m，跨中及邊跨端部梁高H中=4.0m，H根/L=1/16，H中/ L=1/42。主墩下部結(jié)構(gòu)采用左右分幅薄壁箱型空心墩，墩身于橫橋向兩側(cè)設(shè)為橢圓形。承臺采用左右分幅式承臺，并設(shè)0.5m厚的承臺封底混凝土?；A(chǔ)采用群樁，單幅主墩由9根直徑2.5m的鉆孔灌注樁組成。由于該項目位于新城區(qū)中心城區(qū)，除了注重安全、經(jīng)濟(jì)、適用，適當(dāng)兼顧美觀，并與周邊規(guī)劃環(huán)境協(xié)調(diào)。該處水道分南北兩個航道，其中南航道槽較深，航跡線偏于南側(cè)，較為順直，為其主要航道，橋軸線法線方向與水流主流向的交角為6°。

圖1　固定雙曲面球型減隔震支座結(jié)構(gòu)示意圖

近幾十年來我國幾次大地震的發(fā)生，以及因此造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡已引起社會以及工程設(shè)計人員、科研人員的注意和高度重視。橋梁工程作為生命線工程中的一部分，在地震中損害所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失、以及隨后中斷交通所引起的間接經(jīng)濟(jì)損失都是十分巨大的。因此，減隔震設(shè)計方法是一種比較新的橋梁抗震設(shè)計方法，其在橋梁抗震中的應(yīng)用在最近二三十年的時間里得到了廣泛的發(fā)展。減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用往往是通過減隔震支座來實現(xiàn)的。

2　雙曲面球型減隔震支座的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要求

①摩擦副——滑板分片鑲嵌結(jié)構(gòu)

考慮到對于大噸位雙曲面球型減隔震支座，摩擦副采用大塊滑板鑲嵌結(jié)構(gòu)時，因滑板鑲嵌坑約束力不足，而滑板與鋼件的粘結(jié)耐久性不足，只能作為臨時固定使用，長久使用滑板易從鑲坑中蠕變擠出。并且大板板材力學(xué)性能不易穩(wěn)定，因此本項目不得使用大塊滑板鑲嵌結(jié)構(gòu)。

本項目研發(fā)的支座擬采用分片鑲嵌技術(shù)對填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板進(jìn)行局部約束，以進(jìn)一步提高滑板的許用壓應(yīng)力和支座的承載力，而且標(biāo)準(zhǔn)滑片力學(xué)性能穩(wěn)定。

②摩擦副——球面包覆不銹鋼結(jié)構(gòu)

為保證雙曲面球型減隔震支座摩擦副壽命長久，與四氟滑板偶對的上座板凹球面和中座板下凸球面，不得使用電鍍硬鉻做為鋼件表面處理方案，要求必須采用球面包覆不銹鋼滑板結(jié)構(gòu)，即在雙曲面球型減隔震支座的上座板的凹球面上及中座板下凸球面上貼覆一層不銹鋼滑板。其優(yōu)點是避免了采用電鍍硬鉻帶來的支座鋼件保護(hù)不足發(fā)生腐蝕問題，同時也避免電鍍操作對環(huán)境造成污染。同時，兩個球面摩擦副采用同樣的不銹鋼+四氟滑板偶對材料，保證了支座摩擦副的滑移性能和支座的減隔震性能的穩(wěn)定性，也使整個支座的使用壽命大大延長。

③支座的安全設(shè)計要求

為了保證支座設(shè)計的安全性和可靠性，確保大橋的正常運行，在支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計上須要按照本技術(shù)要求規(guī)定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計，不得為節(jié)省成本而擅自更改支座內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)計算，80000kN支座理論重量約為45t，10000kN支座理論重量約為5t，支座的實際重量跟理論重量的誤差不得超過-5%。

3　雙曲面球型減隔震支座的工作原理及其結(jié)構(gòu)原理

雙曲面球型減震支座將普通球型滑動支座的平滑動面改為大半徑球面，結(jié)構(gòu)上包括一個具有滑動凹球面的上支座板、一個具有雙凸球面的中支座板和一個具有轉(zhuǎn)動凹球面的下支座板，滑動球面和轉(zhuǎn)動球面的摩擦副都是由不銹鋼板和聚四氟乙烯板組成的。雙曲面球型減隔震支座的作用機理比較簡單，橋面支承在可滑動的上支座板上，在常用荷載作用下，由于限位螺栓的作用，不允許有相對滑動，相當(dāng)于固定支座（如圖1所示）；當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且水平縱向超過預(yù)定值時，縱向限位裝置的抗剪銷和安全螺釘被剪斷，支座的縱向限位約束被解除，大半徑球面摩擦副縱橋向進(jìn)行自由滑動，通過摩擦阻力逐漸消耗地震能量。同時，延長了結(jié)構(gòu)自振周期，達(dá)到減震的效果；而地震過后，結(jié)構(gòu)自重又可形成回復(fù)力，使支座復(fù)位。支座的滑動將使橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期延長，達(dá)到隔震的目的；滑動球面間的摩擦作用實現(xiàn)了耗能，從而達(dá)到減震的目的。

對于固定支座對于單向雙曲面球型減隔震支座（如圖1所示），在正常運行和地震兩種工況下，支座縱橋向均可自由滑移，同固定支座縱向限位約束解除后工作原理一致。

4　雙曲面球型減隔震支座檢測工作的重要性及檢測參數(shù)

目前，該類型支座的國家標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，而由于支座受力復(fù)雜性，使用前必須進(jìn)行檢測、試驗合格后方能使用。本項目根據(jù)項目的實際情況，結(jié)合設(shè)計相關(guān)要求，與曾有相關(guān)檢測經(jīng)驗的上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測站進(jìn)行研究，本項目支座產(chǎn)品的試驗檢測項目部分參考GB/T17955-2009《橋梁球型支座》標(biāo)準(zhǔn)，部分根據(jù)支座特性綜合制定而成。檢測內(nèi)容主要有如下四個方面：

①支座豎向壓縮變形：支座在設(shè)計載荷作用下，支座的豎向壓縮變形應(yīng)小于支座總高的1%。

②支座滑移摩擦系數(shù)：支座在曲后滑移過程中，滑移摩擦系數(shù)在0.02~0.03之間。

③支座屈后滑移剛度：支座在曲后滑移過程中滯回曲線的斜率為屈后滑移剛度。

④支座自回復(fù)能力：檢測支座在最大設(shè)計位移處是否具備有向中心位置回復(fù)的能力。

5　雙曲面球型減隔震支座在大跨徑梁橋的抗震優(yōu)越性及廣泛應(yīng)用

近年來，我國交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展取得了巨大的成就，大跨徑連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)因其受力簡單合理、整體性好、耐久性好、行車舒適、造價經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，在公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是我國是一個強震多發(fā)的國家，地震烈度等于或大于7度的地區(qū)占國土總面積的1/3，突發(fā)的強烈地震會使建設(shè)成果毀于一旦，這就要求我們必須重視橋梁設(shè)計的抗震減災(zāi)工作。

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)由于采用墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，順橋向、橫橋向整體剛度大，地震作用時上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生地震力主要通過下部結(jié)構(gòu)“硬抗”，因此下部結(jié)構(gòu)必須具有較高的強度，故造成了橋梁造價的大幅增加，因此，大跨徑連續(xù)梁橋目前有幾種常用的抗震措施。通常采用的是在少數(shù)幾個橋墩的上方布置抗震支座，其余橋墩上布置滑動支座的方法。在順橋向地震作用下，布置滑動支座的橋墩幾乎不承受上部地震力，全聯(lián)上部主梁的地震力幾乎全部由固定支座墩承受；若固定支座被剪壞，橋梁順橋向失去約束，極易造成落梁；若固定支座橋墩被剪壞，則會產(chǎn)生全聯(lián)倒塌的嚴(yán)重破壞，設(shè)置減隔震支座來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。這些支座具有高阻尼、高耗能、低剛度、大變形、耐腐蝕等特性，能夠保證正常的支承豎向荷載、溫度變形、收縮徐變變形的要求，在地震作用下，可以耗散地震能量，減小上部結(jié)構(gòu)的慣性力，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)損傷。由于支座是附屬結(jié)構(gòu)，更換方便，因此減隔震設(shè)計是最為經(jīng)濟(jì)、有效的抗震設(shè)計方法。

國內(nèi)外橋梁上使用的減隔震支座主要包括高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、雙曲面球型減隔震支座。雙曲面球型減隔震支座與其它兩種支座相比，具有承載力大、構(gòu)造簡單、耐久性好，并能提供可靠回復(fù)力的優(yōu)點，因而成為結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計的首選。

結(jié)語

雙曲面球型減隔震支座具有可以提供幫助上部結(jié)構(gòu)回到初始位置的回復(fù)力，有效延長減隔震結(jié)構(gòu)的自振周期，并且可以提供穩(wěn)定可靠的阻尼耗能。因此，該支座具有理想的減隔震能力，完全能夠滿足橋梁抗震設(shè)計的要求。本文通過對雙曲面球型減隔震支座的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要求、工作原理、力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)原理的描述，以及比較了剛構(gòu)體系和采用雙曲右球型減隔震支座的連續(xù)箱梁體系的抗震結(jié)果，證明了使用雙曲面球減隔震支座的優(yōu)越性，因此證明了雙曲面球型減隔震支座在大跨徑連續(xù)梁橋中作為一種新型的減隔震技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[3]彭天波，李建中，范立礎(chǔ)．雙曲面球型減隔震支座的開發(fā)及應(yīng)用[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2007，35（02）．

中圖分類號：U44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A