矮墩大跨度長(zhǎng)聯(lián)預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的減隔震支座性能研究

袁安華

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建 福州350001）

0 引 言

“生命線工程”是指維持城市生存功能系統(tǒng)和對(duì)國(guó)計(jì)民生有重大影響的工程，主要包括供水、排水、電力、燃?xì)饧笆凸芫€、電話和廣播電視、大型醫(yī)療系統(tǒng)、公路和鐵路等交通系統(tǒng)工程等。公路是生命線工程中最重要的組成部分，在抗洪及地震災(zāi)害中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其中橋梁又是公路中的重要節(jié)點(diǎn)，因而其抗災(zāi)害能力直接影響到救援和后勤保證[1]。

本文以實(shí)際的工程實(shí)例為依據(jù)，重點(diǎn)討論矮墩大跨度連續(xù)梁橋抗震性能設(shè)計(jì)，旨在保證設(shè)計(jì)安全的前提下，最大可能的減少構(gòu)件重量，節(jié)省造價(jià)，并能使橋梁在地震作用下保證其使用性能，確保生命線工程的暢通[2，3]。

1 橋梁減隔震設(shè)計(jì)及建模

1.1 模型工程基礎(chǔ)資料概況

新南港大橋跨越大樟溪和陳厝河，全長(zhǎng)1338m，主橋?yàn)?0 m+120 m×4+70 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橋?qū)?0 m。

上部為單箱單室直腹板變高度變截面箱形梁，梁高及底板厚度按1.8次拋物線變化，跨中梁高3 m，底板厚0.32 m，中支點(diǎn)截面梁高7.4 m，底板厚2.5 m，主橋梁高拋物線方程為：y=0.002992612985x+3.0（m），其中 0≤x≤57.5；箱梁底板上緣拋物線方程為：y=0.00261184428x+2.68（m），其中0≤x≤54。下部主橋墩為鋼筋混凝土花瓶墩（6.5 m×3.8 m），邊墩為鋼筋混凝土花瓶墩（6.5 m×2.5 m）。

1.2 三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型

新南港大橋主橋?yàn)榱珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主跨120 m，為減小地震對(duì)連續(xù)梁橋的破壞，可以通過設(shè)置隔震支座來達(dá)到減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的目的。綜合以往工程經(jīng)驗(yàn)，選取三種隔震方案，分別為鉛芯橡膠支座、減振球型支座和摩擦擺支座。為有效探討三種支座在地震力作用下的防震效果，以固定支座（15號(hào)墩）為中心設(shè)置三種方案。

方案一，14號(hào)、15號(hào)和16號(hào)墩梁之間采用鉛芯橡膠支座，方案二，14號(hào)、15號(hào)和16號(hào)墩梁間采用減振球型支座，方案三，在14號(hào)、15號(hào)和16號(hào)墩梁間采用摩擦擺支座，由此建立了考慮縱橋向隔震的動(dòng)力計(jì)算模型。

采用ANSYS有限元軟件建立空間動(dòng)力計(jì)算模型，如圖1所示，主梁為魚刺骨脊柱梁模型，采用BEAM1888單元模擬橋墩、樁及主梁，COMBIN40單元模擬支座，15號(hào)墩采用固定支座。采用M法模擬樁土相互作用。采用三維質(zhì)量MASS21模擬二期恒載。模型中各構(gòu)件截面特性、連接方式及邊界條件均按實(shí)際情況確定。

圖1 新南港大橋有限元計(jì)算模型

1.3 地震動(dòng)輸入

該項(xiàng)目地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震設(shè)防烈度7度。新南港大橋的地震反應(yīng)計(jì)算分析采用反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析兩種方法。設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜曲線的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式：

地震影響系數(shù)由公式（1）確定，

式中，Kh為地震系數(shù)；β（t）為設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜。

式中：t為反應(yīng)譜周期，s；T1為反應(yīng)譜平臺(tái)起點(diǎn)周期，s；Tg為反應(yīng)譜特征周期，s；β（t）為對(duì)應(yīng)于周期 t的相對(duì)反應(yīng)譜值；βmax為相對(duì)反應(yīng)譜的最大值；γ為衰減系數(shù)。

水平向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜乘以下式給出的豎向/水平向譜比函數(shù)R為豎向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，其譜形參數(shù)與水平向相同。

式中：T為結(jié)構(gòu)自振周期，s。

最不利場(chǎng)地北岸地表面反應(yīng)譜計(jì)算如圖2和圖3所示。

圖250 a10%地表面綜合反應(yīng)譜曲線

圖3100 a 4%地表面綜合反應(yīng)譜曲線

在該項(xiàng)目進(jìn)行的地震反應(yīng)時(shí)程分析中，對(duì)于E1水準(zhǔn)、E2水準(zhǔn)分別進(jìn)行3條輸入地震動(dòng)加速度的時(shí)程分析。E1水準(zhǔn)、E2水準(zhǔn)的地表面各條地震波時(shí)程曲線如下圖4～圖9所示。

圖4 E1水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程（地表面）時(shí)程1

圖5 E1水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程（地表面）時(shí)程2

圖6 E1水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程（地表面）時(shí)程3

圖7 E2水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程（地表面）時(shí)程1

圖8 E2水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程（地表面）時(shí)程2

圖9 E2水準(zhǔn)地震動(dòng)時(shí)程（地表面）時(shí)程3

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）[4]里第5.1.1條規(guī)定，該橋梁可只考慮水平向地震作用，可分別考慮順橋向和橫橋向的地震作用。

2 抗震計(jì)算分析

2.1 內(nèi)力分析

采用非線性時(shí)程分析法對(duì)新南港大橋進(jìn)行了E1、E2水準(zhǔn)下的地震響應(yīng)分析，方案一鉛芯橡膠支座、方案二減振球型支座及方案三摩擦擺支座的彎矩剪力對(duì)比如圖10～圖13所示。

圖10 墩底最大縱向彎矩比較

圖11 墩底最大縱向剪力比較

圖12 樁頂最大彎縱向矩比較

圖13 樁頂最大縱向剪力比較

可以看出，15#墩的縱向地震響應(yīng)顯著下降，在 E2水準(zhǔn)下分別減少了 61.56%、66.23%和63.80%，相鄰墩改為隔震支座后，地震響應(yīng)稍微增加，但數(shù)值較小。

綜合受力比較，減振球型支座和摩擦擺支座的豎向承載力更大，耐久性更好，性能更穩(wěn)定。

3.2 位移分析

采用非線性時(shí)程分析法對(duì)新南港大橋進(jìn)行了E1、E2水準(zhǔn)下的地震響應(yīng)分析，方案一鉛芯橡膠支座、方案二減振球型支座及方案三摩擦擺支座的位移對(duì)比如圖14和圖15所示。

圖14 主梁最大縱向位移比較

圖15 墩頂最大縱向位移比較

3 結(jié) 語

采用全橋有限元模型對(duì)三種方案的減隔震支座的受力性能分析，摩擦擺支座通過較大的屈服后（擺動(dòng)）剛度，使墩梁間的約束剛度能有效地控制支座位移。結(jié)合長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋的特點(diǎn)，摩擦擺支座能最大程度地減小地震的不利影響，有效提高超長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋的抗震性能。

作為重要傳力構(gòu)件的隔震支座，應(yīng)具備足夠的承載力，還應(yīng)具備消能特性、剛度回復(fù)和耐久性等，綜合考慮該橋最終采用摩擦擺支座。