基于摩擦擺支座的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析

王立憲,王潤(rùn)發(fā),狄生奎,項(xiàng)長(zhǎng)生(．蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州　730050; 2．西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅蘭州　730050)

基于摩擦擺支座的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析

王立憲1,2,王潤(rùn)發(fā)1,狄生奎1,2,項(xiàng)長(zhǎng)生1,2
(1．蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050; 2．西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅蘭州730050)

為研究摩擦擺支座對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的減震效果,以摩擦擺減隔震支座的連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,介紹了支座的減隔震原理和力學(xué)性能,建立有限元分析模型并進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析.結(jié)果表明,摩擦擺減隔震支座具有順橋向優(yōu)于橫橋向的減震效果;在摩擦擺支座的參數(shù)選取方面,不宜選取過大的摩擦系數(shù)和曲面半徑,以保證其良好的自復(fù)位能力;在其他參數(shù)不變的情況下摩擦擺支座的減震效果隨著墩高的增加而減弱.

摩擦擺支座;連續(xù)梁橋;時(shí)程分析;減震效果;自復(fù)位能力

引用格式:Wang Lixian,Wang Runfa,Di Shengkui,et al．Analysis Based on the Seismic Response of Continuous Bridge of Friction Pendulum Bearing[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):53G57．[王立憲,王潤(rùn)發(fā),狄生奎,等．基于摩擦擺支座的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(2):53G57．]

隨著抗震設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步,橋梁的減隔震設(shè)計(jì)越來越受到重視,利用減隔震支座來減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)已成為橋梁抗震設(shè)計(jì)的一種理念.目前在橋梁結(jié)構(gòu)常用的整體型減隔震支座有高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺式減隔震支座[1].較前兩種減隔震支座,摩擦擺支座具有更高地承載力、更大位移能力和更好地耐久性,在國外已經(jīng)得到工程界的認(rèn)可和青睞[2G4].

摩擦擺隔震裝置最早由美國公司于1985年發(fā)明,近年來在美國和日本進(jìn)行了大量的研發(fā)和廣泛的應(yīng)用.國內(nèi)對(duì)摩擦擺隔震支座減隔震技術(shù)的研究近年來發(fā)展迅速,在結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用比較多,但是在橋梁方面的應(yīng)用比較少[5,6].以某一連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,在梁和橋墩的連接處設(shè)置摩擦擺減隔震支座,選取合理的支座參數(shù),對(duì)此隔震連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析,其結(jié)論可作為連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)的參考依據(jù).

1　摩擦擺支座原理及性能指標(biāo)

1．1摩擦擺支座的減隔震原理

摩擦擺減隔震支座是一種利用鐘擺原理實(shí)現(xiàn)減隔震功能的支座,支座在地震作用下通過滑動(dòng)界面摩擦消耗地震能量實(shí)現(xiàn)減震功能,通過球面擺動(dòng)延長(zhǎng)梁體運(yùn)動(dòng)周期實(shí)現(xiàn)隔震功能.同時(shí)特有的圓弧滑動(dòng)面可使其上部結(jié)構(gòu)在自重作用下產(chǎn)生恢復(fù)力,地震后結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)復(fù)位.當(dāng)?shù)卣鹱饔煤苄r(shí),它引起的支座剪力小于靜摩擦力,摩擦擺隔震支座不會(huì)發(fā)生滑動(dòng),此時(shí)隔震支座的作用與普通支座的作用相同;當(dāng)?shù)卣鹱饔帽容^大時(shí),它引起的支座剪力超過了一定的限值,支座便開始滑動(dòng),發(fā)揮其減震、隔震的功能[7,8].一般情況下選擇了合適的支座參數(shù)后,摩擦擺支座都能滿足橋梁結(jié)構(gòu)的溫度變形和地震運(yùn)動(dòng)要求[9].應(yīng)用于公路橋梁的摩擦擺減隔震支座按使用性能分為固定摩擦擺式減隔震支座(GD)、單向活動(dòng)摩擦擺式減隔震支座(DX)、雙向活動(dòng)摩擦擺式減隔震支座(SX)三種.因此在支座布置的時(shí)候,要根據(jù)具體情況來選擇支座.

1．2支座滯回模型及性能指標(biāo)

摩擦擺支座的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為沿圓弧滑道運(yùn)動(dòng)的滑塊,簡(jiǎn)化的力學(xué)模型如圖1所示,由支座規(guī)范可知其滯回曲線,如圖2所示.

圖1　摩擦擺支座的簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig．1　Simplified mechanical model of friction pendulum bearing

圖2　摩擦擺支座荷載G位移滯回曲線Fig．2　Load versus displacement hysteretic curves of friction pendulum bearing

圖2中μ為動(dòng)摩擦系數(shù);W為豎向荷載;Kp為初始剛度;Kc為屈后剛度;Keff為等效剛度;dy為屈服位移;D為減隔震位移量;F為回復(fù)力.

支座的回復(fù)力計(jì)算公式為

其初始剛度計(jì)算公式為

其中:dy取2．5 mm.等效剛度計(jì)算公式為

支座隔震周期計(jì)算公式為

屈服后剛度計(jì)算公式為

水平屈服力計(jì)算公式為

圖3　動(dòng)力分析模型Fig．3　Dynamic analysis model

2　橋梁模型及支座參數(shù)選取

某大橋的主橋?yàn)?5 m＋130 m＋85 m的三跨預(yù)應(yīng)力變截面混凝土連續(xù)梁橋.上部結(jié)構(gòu)為單箱單室的箱梁,頂板12．7 m,跨中梁高2．7 m,底板厚0．26 m,支座附近梁高7 m,底板厚0．85 m.中墩高15 m,邊墩高19．3 m,梁采用C50的混凝土,橋墩采用C30的混凝土.采用Midas/civil軟件建立如圖3所示的有限元分析模型,橋墩和主梁都采用梁?jiǎn)卧獊砟M,共建立了空間梁?jiǎn)卧?06個(gè),節(jié)點(diǎn)111個(gè).普通支座采用彈性連接來模擬,參照?公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則?[10]在墩底作用六個(gè)方向的彈簧等代群樁作用.普通支座橋梁采用線性時(shí)程進(jìn)行動(dòng)力分析,摩擦擺支座隔震橋梁采用非線性時(shí)程進(jìn)行動(dòng)力分析.摩擦擺支座布置形式為在縱橋向僅布置一個(gè)固定支座,其余為活動(dòng)支座,在橫橋向每個(gè)墩頂一側(cè)布置固定支座,另外一側(cè)布置上活動(dòng)支座,具體布置形式如圖4所示.摩擦擺支座的主要參數(shù)有:支座豎向荷載W、曲率半徑R、滑動(dòng)面摩擦系數(shù)μ、隔震周期T、地震作用下支座最大水平位移D[1].通常摩擦擺支座的球面半徑為2~4 m,故取摩擦擺支座半徑R＝4 m,由式(4)可知支座隔震周期T＝4 s,大于未采用隔震裝置結(jié)構(gòu)周期的2倍,滿足要求.摩擦系數(shù)取μ＝0．03,根據(jù)式(5)和式(6)分別計(jì)算出支座的主要設(shè)計(jì)參數(shù),如表1所列.

圖4　摩擦擺支座平布置示意圖Fig．4　Plan of friction pendulum bearing

圖4中支座號(hào)3為橫向摩擦擺支座;支座號(hào)4為固定摩擦擺支座;支座號(hào)1、6、8為縱向摩擦擺支座;支座號(hào)2、5、7為雙向摩擦擺支座.

表1　摩擦擺支座主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1　The main design parameters of friction pendulum bearing

3　時(shí)程結(jié)果分析

選擇常用的ElGcentro、James、Taft三種地震波作為輸入地震波,并將它們的幅值統(tǒng)一調(diào)整到0．35g.將這三條地震波分別輸入橋梁的縱、橫方向進(jìn)行時(shí)程分析.根據(jù)連續(xù)梁橋的受力特點(diǎn)選用②號(hào)固定墩作為分析對(duì)象,其分析結(jié)果如表2和表3所列.

表2　縱橋向②號(hào)固定墩墩底彎矩減震效果Table 2　VibrationGsuppressing effect of bending moment infixed pier bottom of longitudinal direction No．②

表3　橫橋向②號(hào)固定墩墩底彎矩減震效果Table 3　VibrationGsuppressing effect of bending moment in fixed pier bottom of transverse direction No．②

從表2和表3的分析結(jié)果可知,在三種不同地震波的作用下減震效果均很明顯,在不同的地震波的作用下隔震支座的減震效果會(huì)有很大的不同,因此在進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)的時(shí)候要選擇合適的地震波作為輸入地震波進(jìn)行地震響應(yīng)分析.同時(shí)也可以看出摩擦擺支座的縱橋向減震效果要更優(yōu)于橫橋向的減震效果.

4　墩高對(duì)隔震效果的影響

通常在跨越一個(gè)復(fù)雜的地形時(shí)會(huì)造成橋墩的高度有較大的差別,從而結(jié)構(gòu)的自振特性也會(huì)有較大的差別,這會(huì)對(duì)支座的隔震效果造成影響.因?yàn)殡S著墩高的增加,橋梁的水平剛度降低,橋梁上部結(jié)構(gòu)慣性力的傳遞減少,橋墩自身振動(dòng)對(duì)墩底截面地震響應(yīng)影響所占的比例會(huì)增加,又由于墩身剪力與墩底截面彎矩的關(guān)系,墩高增加時(shí),墩底截面的彎矩勢(shì)必會(huì)增加.綜合考慮墩高勢(shì)必會(huì)對(duì)隔震橋梁的隔震效果產(chǎn)生影響.因此,在其他參數(shù)不變的情況下分別取橋墩高為15 m、25 m、35 m、45 m時(shí)分析減隔震支座的減震效果,輸入的地震波選擇ElGcentro波,其分析結(jié)果如圖5所示.

圖5　縱向②號(hào)固定墩墩底剪力、彎矩減震效果Fig．5　VibrationGsuppressing effect of shear force and bending moment in fixed pier bottom oflongitudinal direction No．②

從圖5的分析結(jié)果可以看出隨著墩高的增加,支座的減震效果逐漸減小,當(dāng)橋墩很高時(shí),支座的減震作用無法取得很好的效果.因此在橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩較高時(shí)采用摩擦擺支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)應(yīng)慎重,此時(shí)應(yīng)該考慮使用其他減隔震支座或者其他減隔震方案.

5　摩擦擺支座的自復(fù)位能力

從式(1)可以看出支座的回復(fù)力與曲面半徑R及摩擦系數(shù)μ有關(guān).顯然,支座在地震作用下正常擺動(dòng)的過程中支座回復(fù)力F≥0,當(dāng)F＝0時(shí),支座處于一種隨遇平衡的狀態(tài),此時(shí)支座不會(huì)在結(jié)構(gòu)自重的作用下自動(dòng)回復(fù);當(dāng)F＞0時(shí),支座在地震后回復(fù)的過程中在豎向荷載的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)復(fù)位.因此有

sgn?D為符號(hào)函數(shù),故式(7)可簡(jiǎn)化為

由式(8)可知當(dāng)D＞μR時(shí)支座可以實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能;當(dāng)D＝μR時(shí)支座將不能實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能,此時(shí)產(chǎn)生殘余位移,殘余位移量為μR.在選擇支座參數(shù)時(shí)要充分考慮支座自復(fù)位能力的限制條件,因此必須保證D＞μR支座才能在自重作用下自動(dòng)復(fù)位.所以為保證支座有足夠的自動(dòng)復(fù)位能力,摩擦系數(shù)和曲面半徑的選取要合適,不能取值過大.通過時(shí)程分析可知摩擦擺支座在三條地震波作用下最大擺動(dòng)位移中最小的橫向位移為12．2 cm,縱向位移為12．7 cm,均大于μR＝0．03×400 cm＝12 cm,滿足式(8)的自復(fù)位能力條件.因此,基于此次參數(shù)選取的摩擦擺支座具有自復(fù)位能力.從減隔震設(shè)計(jì)考慮,在一定范圍內(nèi)其曲面半徑和摩擦系數(shù)越大,支座的減隔震效果越好,但是從以上分析可知,為保證支座良好的自復(fù)位能力,摩擦系數(shù)和半徑均不宜取過大.所以在支座參數(shù)的選取方面要綜合考慮減隔震效果和自復(fù)位能力要求,從而選取合適的支座參數(shù).

6　結(jié)論

(1)在地震作用下,摩擦擺隔震支座對(duì)連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的縱、橫方向都能起到很好的減震效果,但是對(duì)橋梁縱向的減震效果比橫向的減震效果更顯著.

(2)為保證摩擦擺支座的自回復(fù)能力,其摩擦系數(shù)和半徑都不宜過大.同時(shí)因摩擦系數(shù)和曲面半徑越大,支座的減隔震效果越好.所以在進(jìn)行連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)選取合適的支座摩擦系數(shù)和半徑來保證其較好的減隔震效果和自復(fù)位能力.

(3)在其他參數(shù)不變的情況下,摩擦擺支座的減隔震效果會(huì)隨著墩高的增加而減弱,所以在高墩連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合理的減隔震支座或者另選其他減隔震方案.

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Analysis Based on the Seismic Response of Continuous Bridge of Friction Pendulum Bearing

Wang Lixian1,2,Wang Runfa1,Di Shengkui1,2,Xiang Changsheng1,2
(1．Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2．Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to study the vibrationGsuppressing effect of friction pendulum bearing on bridge strucGture,a finite element analytical model is built and dynamic and timeGhistorical analysis is conducted by uG sing continuous bridge of friction pendulum seismic isolation bearing as the object,and introducing the seisG mic isolation principle and mechanical property of bearing．The analysis result indicates that friction penduG lum seismic isolation bearing has a vibrationGsuppressing effect which is along bridge direction and superior to crossGbridge direction．During the parameter selection of friction pendulum bearing,oversize friction coefG ficient and curve surface radius shall not be chosen to guarantee its good automatic resilience ability．The viG brationGsuppressing effect of friction pendulum bearing weakens with the rise of pier high with the other parameters remaining the same．

Friction pendulum bearing;Continuous bridge;TimeGhistorical analysis;VibrationGsuppressing effect;Automatic resilience ability

U443．36

A

1004G0366(2016)02G0053G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．012．

2015G03G16;

2015G04G09．

甘肅省自然科學(xué)基金(148RJZA012);甘肅省科技支撐項(xiàng)目(0708GKCA002)．

王立憲(1977G),男,甘肅靖遠(yuǎn)人,博士研究生,講師,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)．EGmail:wanglxian＠lut．cn．