采用摩擦擺減隔震支座系桿拱橋抗震性能分析

王江波

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津市300142）

采用摩擦擺減隔震支座系桿拱橋抗震性能分析

王江波

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津市300142）

隨著系桿拱橋的大量建設，研究其在地震高烈度區(qū)的抗震性能具有重要的工程應用價值。現(xiàn)以工程實際中一座跨度105 m的系桿拱橋為背景，通過非線性時程分析方法，計算分析了其在強震作用下采用摩擦擺減隔震支座后的減隔震效果。分析研究表明，在強震作用下，系桿拱橋采用摩擦擺減隔震支座后，可有效地降低系桿拱橋縱橋向固定墩的地震響應和橫橋向各墩的地震響應，有效地防止強震作用下結(jié)構(gòu)的破壞，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來較大空間。

摩擦擺減隔震支座；系桿拱橋；抗震性能

1　概述

地震是威脅人類生命財產(chǎn)安全最嚴重的自然災害之一，具有突發(fā)性和毀滅性。我國處于世界上兩大地震帶（環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶）之間，因此地震活動多而且劇烈。近幾十年來，全世界發(fā)生過多次破壞力巨大的地震，例如1994年美國Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年中國臺灣Chi-Chi地震、1999年土耳其Izmit地震、中國2008年汶川地震和2010年青海玉樹地震等。這幾次大地震都造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，造成結(jié)構(gòu)的嚴重破壞和倒塌。汶川地震與青海玉樹地震的接連發(fā)生表明中國很可能又進入了一個新的地震活躍期。

伴隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國大跨度橋梁的建設也取得了飛速的進步，各地針對自己的地域特點，建造了各種類型的大跨度橋梁，有些造型優(yōu)美的橋梁甚至成為城市的地標性建筑，其中系桿拱橋以其優(yōu)美的造型、良好的受力體系備受青睞。伴隨著系桿拱橋的大量建設，其在地震中的安全性需要進行深入研究，加之我國地震帶分布廣泛，很多重要城市位于或靠近地震帶，因此，研究地震作用下系桿拱橋抗震性能具有重要的工程應用價值。

本文以工程實際中一座跨度105 m的采用摩擦擺減隔震支座的系桿拱橋為背景，進行了其在強震非線性時程情況下的抗震性能分析，顯示出摩擦擺減隔震支座在系桿拱橋抗震中應用的有效性，為后續(xù)的類似工程提供設計參考。

2　摩擦擺減隔震技術(shù)的機理

減隔震技術(shù)是一種簡便、經(jīng)濟、先進的工程抗震手段，摩擦擺減隔震支座由于其穩(wěn)定的減隔震性能，成為最常用的減震支座之一。

摩擦擺隔震裝置在1985年由美國的Zayas等人提出，同年摩擦擺支座（FPB）由美國EPS公司發(fā)明。摩擦擺減隔震支座隔震消能原理是利用滑動面的設計延長結(jié)構(gòu)的振動周期，以大幅度減少結(jié)構(gòu)因地震作用而引起的放大效應，通過支座的滑動面與滑塊之間的摩擦來達到消耗地震能量（見圖1）。此外，其特有的圓弧滑動面具有自動復位功能，可以有效地限制支座的位移，使其震后恢復原位。摩擦擺減隔震支座造價低、施工簡單、承載能力高，除有一般平面滑動隔震系統(tǒng)的特點外，還具有良好的穩(wěn)定性、復位功能和抗平扭能力。摩擦擺支座主要包括用限滑動螺栓、不銹鋼材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑塊，以及用來與上部結(jié)構(gòu)相連的蓋板，其構(gòu)造示意如圖2所示。摩擦擺支座通過球形滑動表面的運動使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運動，隔震系統(tǒng)的周期和剛度通過選取合適的滑動表面曲率半徑來控制，阻尼由動摩擦系數(shù)來控制。限滑動螺栓剪斷前，摩擦擺隔震支座不發(fā)生滑動，在其支撐下的減隔震橋梁結(jié)構(gòu)與普通橋梁結(jié)構(gòu)相同；當?shù)卣饘⑾藁瑒勇菟魯嗪髸r，摩擦擺隔震支座發(fā)生位移。地震中摩擦擺支座的恢復力模型可簡化成圖3所示的雙線性滯回模型。

圖1　單擺工作原理示意圖

圖2 摩擦擺減隔震支座構(gòu)造圖

圖3　摩擦擺支座的滯回模型

圖中，μ為摩擦系數(shù)；W為豎向荷載；Ki為初始剛度，Ki= μW/ Dy；Kfps為摩擦擺支座的擺動剛度，Kfps= W/ R；R為曲率半徑，按公式（1）計算；Dy為屈服位移；Dd為極限位移。

式中，T為摩擦擺系統(tǒng)的隔震周期。

3　工程概況

某橋位于北方某海濱城市新區(qū)，是一座集交通與景觀功能于一身的城市標志性橋梁，主橋結(jié)構(gòu)為跨度105 m的下承式系桿拱橋，采用主輔拱，柔性吊桿；兩側(cè)引橋為4×27 m的預應力混凝土連續(xù)梁。橋梁全長4×27 m+105 m+4×27 m=321 m，該橋?qū)儆诔鞘兄鞲陕?，設計安全等級為一級，設計基準期為100 a。

主橋橋墩為變截面墩，墩高8 m，承臺為矩形，樁基直徑為1.2 m。主梁采用縱橫梁體系，橫梁梁高為2.0 m，端橫梁為箱型截面，中間橫梁均為工字型截面，橫梁間距為5.0 m。主縱梁梁高為2.0 m，采用工字型截面，與內(nèi)側(cè)拱肋對應設置。橫橋向兩片主縱梁間設置4道小縱梁，小縱梁梁高為1.0 m，采用工字型截面。主橋橋面布置為雙向6車道，主橋由于拱肋和觀光平臺的設置，橋面寬度端部41 m，跨中增加到57 m，機動車道和非機動車道間鏤空。主梁橋面板采用C50混凝土，主墩4#、5#采用C45混凝土，承臺及樁基采用C35混凝土。全橋立面布置見圖4所示，支座布置見圖5所示。

圖4　系桿拱橋全橋立面圖

圖5　系桿拱橋支座平面布置圖

4 抗震性能分析

4.1地震動輸入

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ166-2011）和該橋的重要性，確定主橋的抗震設防標準和抗震設計方法：丙類橋梁，采用50 a超越概率63%乘以1.3的系數(shù)（E1地震作用）和50 a超越概率2%（E2地震作用）兩種地震動水平進行抗震設防。根據(jù)提供的巖土報告可知：橋址設計基本地震加速度為0.2 g，抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，系桿拱橋主橋抗震設計采用的兩水準（E1、E2）阻尼比為5%的設計反應譜如圖6所示。

圖6　E1、E2水平加速度反應譜圖示

為了考慮E2強震作用下活動支座滑動摩擦效應和摩擦擺減隔震支座剪力銷剪斷后發(fā)揮減隔震支座性能，在E2地震作用下采用非線性時程分析方法進行系桿拱橋減隔震抗震分析。

根據(jù)普灣新區(qū)三號橋主橋E2超越概率水平加速度反應譜曲線（5%阻尼比）生成E2下3條加速度時程曲線，并且將生成的加速度時程波轉(zhuǎn)換為反應譜，分別與設計標準反應譜進行比較，以檢驗地震加速度時程的擬合質(zhì)量，生成的人工地震時程波的反應譜與設計標準反應譜擬合得很好，可以為E2非線性時程分析提供可靠的地震動輸入。三條人工地震波如圖7所示，其擬合效果如圖8所示。

圖7　E2水平向三條地震波圖示

為了明顯看出系桿拱橋采用摩擦擺減隔震支座后的抗震性能改善，本文只計算E2地震作用非線性時程分析的工況，即摩擦擺減隔震支座剪力銷剪斷后發(fā)揮減隔震支座性能的工況。摩擦擺減隔震支座在E1地震作用下剪力銷不剪斷，其和常規(guī)支座相同，滿足橋梁的正常使用需求，故本文不計算這一工況。

4.2建模方法

該大橋采用midas civil有限元計算分析程序，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置，建立了結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應分析的三維有限元模型（見圖9）。其中，主梁、橫梁和橋墩用梁單元模擬；樁基礎采用等效的土彈簧單元模擬土-樁基礎的相互作用；考慮地震作用下活動支座滑動摩擦效應和摩擦擺減隔震支座的非線性；為了考慮邊界條件的影響，將引橋建入模型。

圖9　主橋有限元分析模型

4.3摩擦擺減隔震有效性分析

為了對比突出摩擦擺減隔震支座的減隔震效果，對比分析了減隔震前后動力特性的改變、墩底彎矩和剪力的變化、支座傳遞剪力和支座位移的變化，具體結(jié)果見表1～表4所列。為了證實出摩擦擺減隔震支座的工作機理和滯回模型，其在地震波下的滯回曲線見圖10和圖11所示。減震率=（1-摩擦擺減隔震支座響應值/非減隔震常規(guī)支座響應值）%。

表1　減隔震前后動力特性比較表

表2　縱橋向減隔震前后墩底彎矩和剪力一覽表

表3　橫橋向減隔震前后墩底彎矩和剪力一覽表

表4　減隔震前后支座位移一覽表（單位：m）

圖10　順橋向摩擦擺減震支座滯回曲線圖

圖11　橫橋向摩擦擺減震支座滯回曲線圖

由表1可知采用摩擦擺減隔震支座后系桿拱橋的隔震周期延長，其中縱向第一階基本周期由0.592 s變成2.689 s，橫向第一階基本周期由0.564 s變成2.681 s，明顯改善了系桿拱橋的動力特性，降低其地震響應。

由表2、表3可知采用摩擦擺減隔震支座后，明顯降低了固定墩P4的地震內(nèi)力響應；對于活動墩P5也明顯改善控制其設計的橫向地震內(nèi)力響應，縱向地震響應有小幅度提上是因為支座摩擦力的影響，但其不控制墩身設計。在E2強震作用下，最為控制墩身設計的是固定墩P4的縱向地震內(nèi)力，其要承受全部上部結(jié)構(gòu)傳下來的地震內(nèi)力，采用摩擦擺減隔震支座后，固定墩P4縱、橫向減隔震都超過80%，大幅度優(yōu)化了固定墩的設計。在E2強震作用下的活動墩P5，控制其內(nèi)力設計的為橫向地震響應，采用摩擦擺減震支座后，其橫向減隔震率也超過80%，明顯改善了其橫向受力；至于其縱向地震響應略有增大，是因為固定支座剪斷后，摩擦擺減隔震支座滑動摩擦，墩頂支座摩擦力影響造成的，但其不控制內(nèi)力設計，為固定墩P4分擔了部分縱向地震響應。

由表4可知，采用摩擦擺減隔震支座后，支座位移增大，這也是采用減隔震支座必需的條件，正是通過支座的摩擦擺動耗能，才能延長結(jié)構(gòu)周期，消耗地震能量，進而降低結(jié)構(gòu)的地震響應。但需要注意的是要通過調(diào)整摩擦擺減隔震支座的參數(shù)，將支座的滑動位移控制在一定范圍之內(nèi)，同時需要設置緩沖彈塑性擋塊等抗震構(gòu)造措施來防止碰撞破壞、落梁等地震災害的發(fā)生。

從圖10和圖11可以看出，摩擦擺減隔振支座滯回曲線形狀與支座滯回模型吻合，說明支座滯回模型的正確性。滯回曲線飽滿，摩擦耗能穩(wěn)定，說明了摩擦擺減隔震支座在地震作用下發(fā)揮了穩(wěn)定可靠的減隔震作用。

5　結(jié)論與建議

通過計算分析可知，系桿拱橋采用摩擦擺減隔震支座后，可有效地降低系桿拱橋縱橋向固定墩的地震響應和橫橋向各墩的地震響應，有效地防止強震作用下結(jié)構(gòu)的破壞，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來較大空間。

需要注意的是采用摩擦擺減隔震支座后，伴隨著支座摩擦擺動耗能，延長結(jié)構(gòu)周期的同時，支座滑動位移的變大需要控制在一定范圍之內(nèi)，可通過調(diào)整摩擦擺減隔震支座的參數(shù)（摩擦系數(shù)、曲率半徑）來降低支座滑動位移。同時可通過設置緩沖彈塑性擋塊等抗震構(gòu)造措施來防止碰撞破壞、落梁等地震災害的發(fā)生。

武漢開建目前亞洲最大市政交通綜合體

武漢市軌道交通2號線南延線暨光谷廣場綜合體工程近日正式開工建設。該工程集軌道交通、市政設施、地下公共空間于一體，項目總建筑面積約14.6萬m2，是目前亞洲最大的市政交通綜合體工程。

武漢光谷廣場綜合體工程位于武漢東湖高新區(qū)既有光谷廣場下方，工程空間布局分為3層。地下一層為地鐵站廳及地下公共空間，地下一層夾層為地鐵9號線站臺、魯磨路公路隧道；地下二層為地鐵2號線南延線區(qū)間及珞喻路公路隧道；地下三層為11號線站臺。項目總建筑面積約14.6萬m2，建設工期為4年。

U442.5+5

A

1009-7716（2015）02-0057-04

2014-12-01

王江波（1986-），男，河北保定人，碩士，助理工程師，從事橋梁工程設計工作。