摩擦擺支座參數(shù)對橋梁結構地震響應的影響

廖　　平，賈　　毅，趙人達，王永寶

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都　　610031）

摩擦擺支座參數(shù)對橋梁結構地震響應的影響

廖平，賈毅，趙人達，王永寶

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都610031）

為研究帶栓釘?shù)哪Σ翑[支座不同支座參數(shù)和瑞利阻尼對橋梁結構地震響應的影響，采用ANSYS建立有限元模型，基于時程分析法對比分析這些參數(shù)下橋梁結構的地震響應。分析結果表明:瑞利阻尼系數(shù)對橋梁結構的地震響應有顯著的影響，隨著參考振型階數(shù)的增加，除主梁梁體位移外其余地震響應均逐漸增加；隨著摩擦擺支座屈服位移、摩擦系數(shù)的增加，固定墩縱橋向剪力、彎矩、墩頂縱向位移均不斷增大，梁體縱向位移逐漸減小，而對固定支座縱向位移的影響較小；隨著摩擦擺支座半徑的增加，梁體縱向位移、墩頂縱向位移、固定支座縱向位移逐漸增大，對固定墩縱橋向剪力、彎矩影響較小。

橋梁結構；摩擦擺支座；瑞利阻尼；時程分析法；地震響應

簡支梁橋的抗震設計理念可分為延性抗震體系和減隔震抗震體系，延性抗震是通過結構的塑性變形來消耗地震能量，以達到延長結構自振周期、減小結構地震破壞的目的［1］；減隔震則是采用減隔震構件或裝置來增大橋梁的阻尼比和減小輸入主體結構的地震能量，從而減小結構的地震響應［2-3］。目前摩擦擺支座已在公路和鐵路橋梁中廣泛應用，在正常使用荷載或常遇地震作用下，可以依靠摩擦來抵抗汽車或列車制動力，當制動力較大時，僅依靠摩擦力將不能抵抗，常常在摩擦擺支座中增設栓釘來抵抗較大的制動力，而在罕遇地震作用下可通過栓釘剪斷、摩擦擺支座往復運動摩擦來消耗地震能量［4-6］。

針對帶栓釘?shù)哪Σ翑[支座的橋梁結構地震響應研究相對較少，本文主要針對不同的摩擦擺支座參數(shù)如摩擦系數(shù)、屈服位移、曲率半徑對橋梁結構的地震響應的影響進行研究，分析這些參數(shù)與摩擦支座的位移、墩底剪力彎矩、墩頂位移、梁體位移等變化的關系，為支座的優(yōu)化設計和橋梁結構抗震分析提供一定的理論依據(jù)。

1　工程背景

某預應力混凝土簡支箱梁橋標準跨徑30 m，墩高均為20 m，橋面寬度12.5 m，采用10 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。橋墩上下兩端部2.5 m范圍內采用實心截面，中間采用空心截面，主梁采用單箱單室箱形截面，主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土。橋梁抗震設防烈度為7度，場地特征周期為0.4 s，場地類別為Ⅱ類場地。墩梁連接采用帶栓釘?shù)碾p曲面摩擦擺式支座，活動支座在橫橋向設置有抗剪栓釘，固定支座在橫橋向與縱橋向均設置有抗剪栓釘，假定栓釘?shù)目沽?00 kN。在下文的計算分析中均考慮摩擦擺支座栓釘被剪斷的情形。在墩底采用固定約束，每個橋墩頂部采用2個支座與主梁連接。建模過程中不考慮樁土相互作用和二期恒載的影響，也不考慮相鄰跨對橋梁結構的影響。

2　有限元建模及結構自振特性

采用大型通用有限元軟件ANSYS建立全橋三維梁單元模型，主梁及橋墩采用Beam188梁單元模擬，將Combin40單元Keyopt取不同的值來模擬摩擦擺支座及栓釘，栓釘剪斷失效通過Combin40單元“分離”特性來模擬，并且僅在橋梁結構縱橋向施加El Centro波（將其幅值調整到0.2g）。加速度時程曲線如圖1所示。

根據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode8，在單向地震作用下摩擦擺減隔震支座可簡化為雙線性模型［7］，計算分析所采用的帶栓釘摩擦擺固定支座的恢復力模型與文獻［8］相同，其滯回曲線如圖2所示。其中W表示摩擦擺支座承受的豎向荷載為支座的屈服位移，P為栓釘?shù)目辜舫休d力，μ為摩擦擺支座的摩擦系數(shù)，分別為摩擦擺支座的初始剛度和屈服后剛度。

對該簡支梁橋進行模態(tài)分析，提取前4階模態(tài)，并將其自振頻率及振型匯總于表1。從表1可以看出，橋墩剛度較小，結構首先出現(xiàn)橋墩縱彎現(xiàn)象。

圖1　El Centro地震加速度時程曲線（幅值調整為0.2g）

圖2　帶栓釘?shù)哪Σ翑[支座恢復力模型

表1　橋梁前4階自振頻率及振型

3　瑞利阻尼不同計算模式的影響

結構動力學計算瑞利阻尼的方法，通常是選取結構的基頻及對結構動力響應有顯著貢獻的高階振型。為分析瑞利阻尼不同計算模式對橋梁結構的地震響應的影響，在分析中選取的參考振型如表2所示。不同瑞利阻尼系數(shù)下橋梁結構地震響應的有限元計算結果匯總于表3。

表2　　瑞利阻尼的不同計算模式

表3　不同瑞利阻尼系數(shù)下的橋梁地震響應縱橋向計算結果

從表3可以看出，瑞利阻尼系數(shù)計算所參考的振型不同，對橋梁結構的地震響應有顯著的影響，隨著參考振型階數(shù)的增加，除主梁梁體位移外其余地震響應均逐漸增大。

4　摩擦擺支座參數(shù)的影響分析

從表1可以看出結構固定支座橋墩首先出現(xiàn)了縱彎現(xiàn)象，因此本文以下進行摩擦擺支座參數(shù)對橋梁結構的地震響應的影響分析時，主要針對固定支座位移、梁體位移、固定墩墩頂位移與彎矩、剪力進行對比分析。

圖3—圖6展示了摩擦擺支座摩擦系數(shù)為0.04、支座半徑為3.6 m、屈服位移為0.5 mm時橋梁結構的地震響應。梁體位移是指梁端位移。

圖3　帶栓釘?shù)哪Σ翑[支座的滯回曲線

根據(jù)帶栓釘?shù)哪Σ翑[支座恢復力模型和恢復力模型中初始剛度、等效剛度、等效阻尼、屈服剛度等計算公式可知，支座摩擦系數(shù)、支座半徑均對恢復力模型有直接影響，但屈服位移與支座滑移力密切相關，這些均會對橋梁結構的地震響應產(chǎn)生一定的影響。下文將分析這些因素的影響，以下各圖中的梁體節(jié)點位移是指梁端位移。

圖4　固定支座橋墩剪力時程曲線

圖5　固定支座橋墩彎矩時程曲線

圖6　橋梁位移響應時程曲線

4.1摩擦系數(shù)的影響（表4及圖7）

表4　不同摩擦系數(shù)下固定支座橋墩縱橋向地震響應

圖7　摩擦擺支座摩擦系數(shù)與橋梁位移響應變化曲線

從表4可以看出，隨著摩擦擺支座摩擦系數(shù)的增加，固定支座橋墩縱橋向剪力、彎矩均不斷增大。從圖7可以看出，隨著摩擦擺支座摩擦系數(shù)的增加，梁體縱向位移逐漸減小，墩頂縱向位移逐漸增大，而對固定支座位移的影響較小，變化幅度最大為7.56%。

4.2屈服位移的影響（表5及圖8）

表5　不同屈服位移下固定支座橋墩縱橋向地震響應

圖8　摩擦擺支座屈服位移與橋梁位移響應變化曲線

從表5可以看出，隨著摩擦擺支座屈服位移的增加，固定支座橋墩縱橋向剪力、彎矩均不斷增大。從圖8可以看出，隨著摩擦擺支座屈服位移的增加，梁體縱向位移逐漸減小，墩頂縱向位移逐漸增大，而對固定支座位移的影響較小，變化幅度最大為7.52%。

4.3支座半徑的影響（表6及圖9）

從表6可以看出，隨著摩擦擺支座半徑的增加，對固定支座橋墩縱橋向剪力、彎矩影響較小，剪力、彎矩變化幅度最大分別為4.05%，2.28%。從圖9可以看出，隨著摩擦擺支座半徑的增加，梁體縱向位移、墩頂縱向位移、固定支座位移逐漸增大。

表6　不同支座半徑下固定支座橋墩縱橋向地震響應

5　結論

根據(jù)不同摩擦擺支座參數(shù)和不同瑞利阻尼系數(shù)下橋梁結構地震響應的比較分析，可得出以下結論：

1）瑞利阻尼系數(shù)對橋梁結構的地震響應有顯著的影響，隨著參考振型階數(shù)的增加，除主梁梁體位移外其余地震響應均逐漸增大。

2）隨著摩擦擺支座屈服位移、摩擦系數(shù)的增加，固定支座橋墩縱橋向剪力、彎矩、墩頂縱向位移均不斷增大，梁體縱向位移逐漸減小，而對固定支座位移的影響不大。

3）隨著摩擦擺支座半徑的增加，梁體縱向位移、墩頂縱向位移、固定支座位移逐漸增大，對固定支座橋墩縱橋向剪力、彎矩影響較小。

［1］葉愛君，管仲國.橋梁抗震［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］范立礎，李建中.汶川大地震震害分析與抗震設計對策［J］.公路，2009（5）：122-128.

［3］范立礎.橋梁減隔震設計［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］彭天波，李建中，范立礎.雙曲面球型減隔震支座的豎向位移分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2007，35（9）：1181-1185.

［5］王偉強，陳彥北，卜繼玲，等.摩擦擺支座抗拔設計及有限元分析［J］.鐵道建筑，2015（11）：37-39.

［6］夏修身，陳興沖.鐵路高墩橋梁基底轉動隔震與墩頂減震的效果對比研究［J］.鐵道學報，2011，33（9）：102-107.

［7］British Standards Institution.BS EN 1998-2Eurocode 8：Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 2：Bridges ［S］.London：British Standards Institution，2005.

［8］夏修身，陳興沖，王?；?，等.剪力鍵對隔震橋梁地震反應的影響［J］.地震工程與工程振動，2012，32（6）：104-109.

（責任審編孟慶伶）

Influence of Friction Pendulum Bearing Parameters on Seismic Response of Bridge Structure

LIAO Ping，JIA Yi，ZHAO Renda，WANG Yongbao
（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

In order to study the effect of different parameters of friction pendulum bearing with studs and Rayleigh damping on seismic response of bridge structures，a finite element model was established with ANSYS and the seismic response was studied based on time history analysis method.Analysis results show that the Rayleigh damping coefficient has a great influence on bridge structure seismic response.W ith the increase of the order of vibration mode shape，the seismic response increases except the girder deflection.W ith the increase of yielding displacement and friction coefficient of friction pendulum bearing，the longitudinal shear，moment and longitudinal pier top displacement of the fixed piers increase while girder longitudinal displacement decreases and the effect on longitudinal displacement at fixed bearings is little.As the radius of friction pendulum bearing increases，the longitudinal displacement of girders，pier top and fixed bearing gradually increase，and it slightly affects the longitudinal shear and moment of fixed piers.

Bridge structure；Friction pendulum bearing；Rayleigh damping；T ime history analysis method；Seismic response

廖平（1989— ），男，博士研究生。

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.06

1003-1995（2016）07-0022-04

2016-03-06；

2016-04-12

廣東省交通廳科技計劃（CZ（201507）YS1-002）