雙曲面球型減隔震支座在潮漳高速公路韓江特大橋上的應(yīng)用

蔣娜芳，鄢宏慶

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650)

1 工程概況

潮漳高速公路位于潮州市境內(nèi)，是打通廣東潮州和福建漳州的重要交通線路，全長64.561km。韓江特大橋為潮漳高速公路上的重點、難點工程。全橋長1 276.4m，主橋長470m，主橋跨徑布置為55m+4×90m+55m，為超長多跨連續(xù)梁橋。

韓江特大橋設(shè)計采用的主要技術(shù)標準為[1]：

(1)設(shè)計行車速度：100km/h。

(2)設(shè)計汽車荷載：公路—I級。

(3)溫度影響：最高溫度34℃，最低溫度0℃，線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃。合攏溫度按20℃考慮。

(4)設(shè)計洪水頻率：1/300。

表1 韓江特大橋主橋設(shè)防水準

(5)橋址地震動峰值加速度：0.17g[2]。

(6)場地土類別：Ⅱ類場地。

2 主橋結(jié)構(gòu)體系選擇

韓江特大橋跨航道處主橋上部結(jié)構(gòu)為(55m+4×90m+55m)預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，跨越古巷側(cè)河堤，墩高除10#橋墩(堤外主墩)為17m外，其余主墩(11#、12#、13#、14#橋墩)均接近30m，墩高較高。多跨連續(xù)梁橋常見的體系方案為：多跨剛構(gòu)橋、多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋，本文對其進行比選。

(1)主跨為連續(xù)梁的多跨剛構(gòu)橋和多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋：多跨剛構(gòu)橋相比多跨連續(xù)梁，施工時無需結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，后期運營也無需大噸位支座養(yǎng)護，經(jīng)濟性較好。但其剛度大，地震荷載作用下，主要靠增大橋墩和基礎(chǔ)的截面尺寸以及配筋量來滿足抗震設(shè)計的需要。

(2)連續(xù)梁橋：相比剛構(gòu)，施工復(fù)雜，后期養(yǎng)護成本較高。但在地震荷載作用下，可通過設(shè)置減隔震支座來滿足抗震設(shè)計的需要。

由于本橋墩高聯(lián)長，采用多跨連續(xù)-剛構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選，設(shè)計對多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋體系(11#、12#、13#橋墩墩梁固結(jié)，其他橋墩采用支座)進行了罕遇地震響應(yīng)分析。

橋梁抗震計算分析采用midas civil2015有限元程序。在E2地震荷載作用下橋墩墩底地震內(nèi)力計算結(jié)果見表2(軸力受拉為正)，樁基地震內(nèi)力計算結(jié)果見表3(軸力受拉為正)。

表2 橋墩控制截面內(nèi)力

表3 樁基控制截面內(nèi)力

由表2計算結(jié)果可知，地震力在墩底產(chǎn)生了強大的地震內(nèi)力。E2地震荷載作用下，經(jīng)計算，在常規(guī)范圍內(nèi)加大橋墩截面尺寸或增大配筋橋墩都將進入塑性。由表3計算結(jié)果可知，地震力在樁基產(chǎn)生了強大的拉力和彎矩，單純靠增大樁基尺寸或截面配筋既不經(jīng)濟又不美觀，無法實現(xiàn)既定的抗震性能目標。

綜上分析，由于本橋地震烈度較高，且場地條件較差，地震力較大，連續(xù)剛構(gòu)體系下部結(jié)構(gòu)受力較大，連續(xù)剛構(gòu)體系已經(jīng)不能滿足E2地震作用下樁基礎(chǔ)保持彈性的抗震性能目標。為減小地震力，滿足結(jié)構(gòu)抗震性能的目標需求，設(shè)計最終采用了可以適應(yīng)減隔震裝置的連續(xù)梁橋方案。

3 減隔震支座選擇

通常在連續(xù)梁橋梁使用的減隔震支座有三種：鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、雙曲面球型減隔震支座。三種支座中，雙曲面球型減隔震支座適應(yīng)大噸位能力最強, 具有承載力大、耐久性好, 并能夠提供可靠的自恢復(fù)能力的優(yōu)點[4]。韓江特大橋主墩支座豎向承載力要求達22 500kN,超過了高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座最大的承載能力，且考慮支座耐久性，設(shè)計最終采用了大噸位的雙曲面球型減隔震支座。

圖1 韓江特大橋主橋立面布置

圖2 韓江特大橋抗震計算模型

4 雙曲面球型支座簡介

雙曲面球型減隔震支座是將摩擦擺支座的工作原理成功運用到常用的球型支座上的一種減隔震支座[5](圖3)。

圖3 雙曲面球型減隔震支座

4.1 正常工作狀態(tài)及多遇地震狀態(tài)下工作原理

橋梁在正常使用狀態(tài)及多遇地震狀態(tài)下，支座的限位裝置處于正常限位狀態(tài)，支座通過球面不銹鋼滑板與四氟滑板形成摩擦副，實現(xiàn)梁體的轉(zhuǎn)動位移和水平位移需求[6]。在正常使用狀態(tài)下，水平荷載由限位裝置傳遞，豎向力由球體之間的摩擦副傳遞。

4.2 減隔震狀態(tài)工作原理

當罕遇地震發(fā)生時，地震水平力如果超過抗剪銷和安全螺栓的設(shè)計值，支座的限位裝置將被剪斷。支座的橫向限位裝置失效后，支座可以往復(fù)滑動，從而消耗地震能量，并使結(jié)構(gòu)的自振周期延長，從而達到了減小地震力的目的。震后，在自重的作用下，支座復(fù)位[6]。支座滯回曲線如圖4所示。

圖4 雙曲面球型減隔震支座滯回曲線

5 減隔震效果分析

5.1 支座參數(shù)確定

雙曲面球型減隔震支座設(shè)計參數(shù)主要包括：

(1)支座等效曲率半徑：用于抗震計算參數(shù)設(shè)置，曲線半徑越大，支座屈服后剛度越小，等效阻尼比越大。

(2)支座震后位移：指支座在地震情況下的位移最大振幅。

(3)支座摩擦系數(shù)：反映支座耗能能力，一般取0.02～0.03。

雙曲面球型減隔震支座設(shè)計的過程就是確定合適的支座參數(shù)，得到較優(yōu)的地震內(nèi)力和位移響應(yīng)。本橋根據(jù)非線性時程分析確定的支座參數(shù)見表4。其中9#、15#過渡墩采用KZQZ4000ZX縱向活動支座；10#、14#邊墩采用KZQZ20000ZX縱向活動支座；11#、12#、13#橋墩采用KZQZ20000GD固定支座。

表4 支座參數(shù)

5.2 減隔震效果

在地震作用下，雙曲面球型支座耗散地震能量，延長結(jié)構(gòu)周期，實現(xiàn)了減隔震的功能要求。由于采用雙曲面球型支座，橋墩墩底的彎矩大大減小，11#橋墩減小了68%，12#橋墩減小了56%,13#橋墩減小了77%；對于樁基礎(chǔ)內(nèi)力，樁基礎(chǔ)的拉力大大減小，彎矩也減小約60%，最終主墩采用了四根φ2.2m的樁基礎(chǔ)，樁基配筋率為1.39%。

雙曲面球型支座對地震內(nèi)力的減震效果明顯，支座增大了結(jié)果等效阻尼比，有耗散地震能量的作用，但是結(jié)構(gòu)剛度的降低會造成結(jié)構(gòu)地震位移的增大。經(jīng)參數(shù)分析比選，支座的震后位移取350mm為結(jié)構(gòu)可接受范圍，也可取得較好的減震率。

表5 橋墩控制截面內(nèi)力(采用減隔震支座)

表6 樁基控制截面內(nèi)力(采用減隔震支座)

6 速度鎖定支座的應(yīng)用

速度鎖定支座是由速度鎖定器與活動型橋梁支座，如球型鋼支座、盆式支座等組合而成，既能適應(yīng)活動型支座的功能需求，又能發(fā)揮速度鎖定器的分擔地震力及限位作用，屬于國內(nèi)新型的抗震支座[7]。

本橋的14#橋墩較高，由于韓江特大橋聯(lián)長較長，考慮溫度的影響，僅在中間三個主墩設(shè)置了固定型雙曲面球型支座，在邊墩設(shè)置了活動型雙曲面球型支座。在地震荷載作用下，邊墩縱橋向不能分擔地震力，為提高橋梁的抗震能力，在14#橋墩設(shè)置了速度鎖定器。在罕遇地震作用下，速度鎖定器自動水平鎖定，能發(fā)揮固定支座功能，從而與其他固定支座一起抵抗水平力，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。這種支座既能適應(yīng)橋梁靜力位移，又能夠抵抗地震水平力。

圖5 速度鎖定器結(jié)構(gòu)

本橋設(shè)計時將速度鎖定器作為一種安全儲備，固定支座的主墩受力按速度鎖定支座為活動支座考慮，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力，增強了結(jié)構(gòu)在地震荷載下的安全性。

7 結(jié)語

潮漳高速公路韓江特大橋位于深水區(qū)，其規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度較高、場地條件較差。在設(shè)計過程中綜合結(jié)構(gòu)的受力安全、地質(zhì)條件、工期、造價等因素，通過多方案比較及設(shè)計優(yōu)化，選擇了主墩采用雙曲面球型減隔震支座、邊墩采用速度鎖定支座的連續(xù)梁體系。計算表明，該設(shè)計方案減隔震效果明顯，并且能夠有效地防止落梁，較好地實現(xiàn)了抗震設(shè)計的目標。