減隔震支座在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁忠華，劉新文

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040;2.蘇交科(武漢)交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

哥斯達(dá)黎加32#公路修復(fù)與擴(kuò)建項(xiàng)目位于中美洲哥斯達(dá)黎加境內(nèi)。該國(guó)現(xiàn)有的32#公路是中美洲洲際公路中大西洋走廊的主要干線，也是連接首都SanJosé和港口Limón的重要通道。因此，32#路Route4-Limón承擔(dān)著雙重功能，在路網(wǎng)中起著重要的作用。目前該路段是雙車道公路，交通量較大，計(jì)劃擴(kuò)建為4車道干線公路。通過該項(xiàng)目的建設(shè)，中美洲國(guó)際公路網(wǎng)在哥斯達(dá)黎加境內(nèi)大西洋走廊的運(yùn)輸能力將得到提升，哥斯達(dá)黎加國(guó)內(nèi)公路網(wǎng)將得到完善，首都圣何塞周邊的交通壓力將得到緩解。新建橋梁Matina(K110+400～K135+200)段大橋525 m/2座，中橋235 m/7座，新建橋梁與舊橋分離，與舊橋平行設(shè)置。橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁，為增加行車舒適性，對(duì)于兩垮以上的主線橋梁均采用結(jié)構(gòu)連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩配合樁基礎(chǔ)，對(duì)于墩高大于10 m的橋墩，采用薄壁式橋墩，基礎(chǔ)采用承臺(tái)配合樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)根據(jù)填土高度及地形特點(diǎn)，采用樁柱式橋臺(tái)，板凳式橋臺(tái)或者薄壁式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。該項(xiàng)目地位于地震斷裂帶附近，地震烈度高，根據(jù)該國(guó)提供的抗震分析報(bào)告，水平設(shè)計(jì)加速度最大值達(dá)Smax=1.28g，按我國(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定，抗震設(shè)防烈度為9級(jí)，部分屬單獨(dú)研究范疇，設(shè)計(jì)技術(shù)難度大。

如表1是本次工程之中的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 減隔震支座的結(jié)構(gòu)和減隔震設(shè)置

2.1 減隔震支座的結(jié)構(gòu)

本次工程之中所應(yīng)用的減隔震支座為擺式摩擦阻尼支座，這種減隔震支座是根據(jù)單擺的周期只與其擺動(dòng)半徑有關(guān)，而與其質(zhì)量無(wú)關(guān)的原理設(shè)計(jì)出來(lái)的。安裝擺式摩擦阻尼支座的橋梁或建筑可以通過改變支座的曲率半徑靈活的改變橋梁或建筑的自振周期。擺式摩擦阻尼支座包含三大系列產(chǎn)品：?jiǎn)吻娓粽鹬ё?、雙曲面隔震支座、柱面隔震支座。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于地震頻發(fā)地區(qū)。減隔震組合裝置的主要組成部分有兩個(gè)，其一是導(dǎo)向耗能組件，其二是纖維耗能組件，導(dǎo)向耗能組建是由導(dǎo)向板和非線性的阻尼輻所組成，對(duì)于地震能量可以起到良好的消散作用，后者是由纖維耗能螺栓以及限位板組成，通過耗能螺栓，也可以對(duì)地震所產(chǎn)生的能量起到一個(gè)很好的消散作用。

表1 相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)

在本次工程所應(yīng)用的減隔震支座之中，通過對(duì)可以正常應(yīng)用的轉(zhuǎn)動(dòng)面設(shè)計(jì)以及滑動(dòng)面設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)摩擦耗能，并通過非線性的阻尼輻彈塑性變形以及耗能螺栓實(shí)現(xiàn)間斷耗能，進(jìn)而讓這個(gè)減隔震支座實(shí)現(xiàn)了多級(jí)設(shè)防功能。在發(fā)生地震之后，僅僅需要對(duì)這個(gè)減隔震支座之中的彈塑性鋼阻尼元件以及限位裝置進(jìn)行維修或者更換即可，進(jìn)而有效避免地震所產(chǎn)生的能量造成橋梁的偏移、變形以及損壞，讓橋梁的抗震性能實(shí)現(xiàn)了良好的優(yōu)化。在工程的具體施工之中，為了有效減輕連接位置上的復(fù)雜受力情況，避免E型的阻尼元件由于應(yīng)力集中而遭到破壞的情況發(fā)生，將非線性的阻尼元件應(yīng)用到了這個(gè)減隔震基座之中，通過這一元件的應(yīng)用，有效提升了該減隔震支座的抗疲勞行性能，進(jìn)而使其減隔震性能極其防落梁功能都得以顯著提升，讓這個(gè)減隔震支座在本次工程的橋梁優(yōu)化之中發(fā)揮出了充分的作用與優(yōu)勢(shì)。

2.2 減隔震支座的減隔震原理應(yīng)用分析

當(dāng)減隔震支座處于正常的使用情況下的時(shí)候，需要借助于限位裝置來(lái)給這個(gè)水平支座提供出一個(gè)水平力，這樣就使得減隔震支座處在一種彈性的工作階段之中，可以有效保障減隔震支座的穩(wěn)定性，使其不僅可以在正常的狀態(tài)之下保持穩(wěn)定，同時(shí)也可以在受到收縮徐變制動(dòng)力等很多荷載作用條件下有效滿足常規(guī)運(yùn)動(dòng)的需求。

在E1級(jí)的地震狀態(tài)之中，減隔震支座本體以及其中的限位裝置都將處于一種彈塑性的工作狀態(tài)之中，如果發(fā)生了強(qiáng)度地震，在地震的作用之下，減隔震支座之中的限位裝置就會(huì)出現(xiàn)一定的變化，但是這種變化依然會(huì)在減隔震支座限位裝置的可承受范圍之內(nèi)，所以并不會(huì)對(duì)減隔震裝置造成多大的影響，支座依然可以正常使用。同時(shí)，在地震的作用之下，減隔震支座的設(shè)計(jì)位移會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化，這個(gè)變化主要是沿著其滑力的方向來(lái)進(jìn)行限位裝置的限位操作，此時(shí)的水平荷載將會(huì)分擔(dān)其固定支座以及活動(dòng)支座之中的載荷，進(jìn)而有效降低固定支座的受力情況。

在E2級(jí)的地震狀態(tài)之中，減隔震支座本體會(huì)處于一種彈性的工作狀態(tài)之中，此時(shí)其支座運(yùn)動(dòng)方向上的限位裝置將會(huì)被剪斷，非線性的阻尼輻將會(huì)進(jìn)入其中，并使之出現(xiàn)一定程度的塑性變形，但是并不會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況，此時(shí)，在摩擦力以及阻力的作用之下，減隔震支座將會(huì)使地震所產(chǎn)生的能量得到一定程度的降低，進(jìn)而減輕地震作用對(duì)橋體和減隔震支座產(chǎn)生的沖擊作用。借助于減隔震支座良好的抗震能力以及位置的可移動(dòng)性，在發(fā)生較大地震的時(shí)候，可以有效保障橋梁的穩(wěn)定性，避免橋梁交通中斷情況的發(fā)生。

3 橋梁的減隔震分析

3.1 分析模型的建立

在對(duì)減隔震支座的抗震效果進(jìn)行分析的過程中，主要的分析方法包括動(dòng)力時(shí)程法、功率譜法以及反映譜法。在本次工程之中，主要是通過非線性動(dòng)力時(shí)程法來(lái)進(jìn)行減隔震支座抗震性能的分析。

在具體的分析過程中，利用有限元分析軟件來(lái)深入分析橋梁基本數(shù)據(jù)，并建立起一個(gè)三維的橋梁?jiǎn)卧?，?duì)主梁、樁基以及橋墩進(jìn)行模擬，通過m參數(shù)計(jì)算等價(jià)土彈簧剛度來(lái)進(jìn)行樁土作用的模擬。將橋塔與主梁之間固接好，然后通過多段性的塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型來(lái)進(jìn)行橋梁減隔震支座的模擬，這樣就可以讓主梁與橋墩之間實(shí)現(xiàn)良好的連接。在E2級(jí)的地震作用狀態(tài)之下，分別進(jìn)行非減隔震支座橋梁的動(dòng)力時(shí)程分析以及減隔震支座橋梁的動(dòng)力時(shí)程分析。

3.2 橋梁減隔震分析結(jié)果

首先是對(duì)減隔震支座結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行對(duì)比，表2就是本次分析之中的對(duì)比結(jié)果。在進(jìn)行對(duì)比分析的過程中，主要是按照應(yīng)用減隔震支座和不應(yīng)用減隔震支座這兩種情況來(lái)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)情況的對(duì)比和分析。

表2 墩底彎矩對(duì)比分析結(jié)果

由上表可以看出，與沒有設(shè)置減隔震支座的橋梁結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置了減隔震支座的橋梁結(jié)構(gòu)可以有效延長(zhǎng)其自振周期，在前三個(gè)階段之中，其自振周期的延長(zhǎng)率分別為67%、118%和214%，平均抗震周期延長(zhǎng)了133%。同時(shí)，通過本次的分析發(fā)現(xiàn)，在振型發(fā)生變化的情況下，通過減隔震支座的應(yīng)用，可以讓橋梁的結(jié)構(gòu)得到明顯改善，進(jìn)而使其變形情況也在一定程度上獲得改善。

其次是對(duì)減隔震支座的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析。在本次工程的分析之中，主要是通過對(duì)減隔震支座以及非減隔震支座的相關(guān)情況進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行關(guān)鍵橋墩的情況分析。下表就是具體的分析情況：

表3 橋墩剪力分析結(jié)果

通過上表可以看出，與非減隔震支座相比，將減隔震支座應(yīng)用到橋梁的抗震優(yōu)化之中，其順橋向以及橫橋向墩底彎矩分別減少了40%和83%，剪力分別減少了39%和70%。由此可知，通過減隔震支座的應(yīng)用，使得本次工程之中的橋梁得到了良好的優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行橋梁的抗震優(yōu)化過程中，減隔震支座的應(yīng)用屬于一個(gè)十分關(guān)鍵的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本文通過對(duì)哥斯達(dá)黎加32#公路修復(fù)與擴(kuò)建項(xiàng)目之中減隔震支座的應(yīng)用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)通過設(shè)置減隔震支座可有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，從而減小地震作用，降低工程造價(jià)，有效為項(xiàng)目增值。