減隔震技術(shù)在高烈度地區(qū)混凝土梁橋中的應(yīng)用

韓善劍，邢 智

(1.海南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，海南 ?？?570206；2.中交第一公路勘察設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18036—2015),?？谑屑捌渲苓厖^(qū)域基本地震動峰值加速度達0.3g，強震區(qū)范圍進一步擴大，選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計方案是重點公路橋梁設(shè)計中的重點和難點。《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/T B02-01—2008)已頒布實施多年，強震區(qū)的地震作用效應(yīng)較大，對橋梁下部結(jié)構(gòu)的強度和變形能力要求更高，傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計已難以滿足新形勢要求。海南正加快建設(shè)中國國際旅游島和特色自由貿(mào)易港，提高海南全域交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，在高烈度地區(qū)建設(shè)結(jié)構(gòu)安全的橋梁，采取有效措施降低橋梁在地震中發(fā)生破壞的程度，是廣大橋梁建設(shè)者的重要工作，也是橋梁建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點。混凝土連續(xù)梁橋和剛構(gòu)橋梁是海南公路建設(shè)中的主要橋型，也是內(nèi)地橋梁建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的橋型，對混凝土連續(xù)梁橋進行抗震研究十分必要。

近年來，部分學者持續(xù)對混凝土橋梁進行了抗震分析和探討。龔一瓊等以五跨連續(xù)梁橋為例，將傳統(tǒng)的抗震支座調(diào)整為減隔震支座，利用塑性鉸耗能研究得出在地震荷載作用下橋墩均處于彈性狀態(tài)，有效改善了橋梁下部結(jié)構(gòu)的受力性能，達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求[1]。郭磊等采用將固定盆式支座調(diào)整為活動盆式支座與彈塑性耗能裝置的組合，改善了橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。余錢華等通過調(diào)整支座約束類型，分析橫橋向、縱橋向彎矩及支座位移的變化，提出了大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋的固定支座布設(shè)優(yōu)化方案[3]。陳思佚以臨沂東互通主線橋為例，通過時程分析得出，采用摩擦擺減隔震支座，多數(shù)橋墩處于彈性狀態(tài)，僅有個別橋墩剛剛進入塑性，安全儲備和經(jīng)濟效益均較高[4]。馮克巖等針對大跨連續(xù)梁橋固定墩底承受全橋主要彎矩、剪力的情況，研究得出可增加彈塑性減震耗能裝置改善結(jié)構(gòu)的抗震受力性能[5]。楊亮等總結(jié)出，固定支座墩承受大部分的地震力經(jīng)濟效益較差，優(yōu)化采用彈塑性減震耗能裝置可大幅減小橋墩所受地震作用響應(yīng)，同時可大幅降低主筋的配筋率[6]。方海等通過分析提出，采用鉛芯橡膠隔震支座和黏滯阻尼器的組合方案優(yōu)化橋墩地震工況下的受力狀態(tài)[7]。鄧繼華等以延性抗震和減隔震為研究對象，分析得出墩底的內(nèi)力、位移與屈后剛度、彈性剛度比值的相關(guān)聯(lián)程度[8]。

結(jié)合近期設(shè)防烈度較高的鋼筋混凝土公路梁橋的抗震設(shè)計理念和方法的不斷發(fā)展，本文以海南龍?zhí)链髽驗楣こ瘫尘埃肕IDAS有限元分析軟件，在地震動輸入下進行時程分析，對比采用減隔震技術(shù)前后橋梁的內(nèi)力、位移等指標的變化，考慮摩擦擺減隔震支座和滑動支座摩擦的非線性因素，探討大跨徑混凝土梁橋在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析不同類型橋梁如何選擇適宜的支座和布設(shè)方案，總結(jié)地區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗。

1 工程概況

龍?zhí)链髽蚴鞘〉繱202跨越南渡江的重要橋梁，主橋跨徑組合采用56 m+100 m+56 m，橋梁高跨比約0.3。上部結(jié)構(gòu)采用變截面預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，材料為C55混凝土，左、右分幅設(shè)置，單箱單室，單幅橋?qū)?1.75 m，主墩處梁高6.2 m，跨中及邊橫梁高2.5 m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形空心墩，邊墩采用矩形墻式墩，C40混凝土，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為便于后續(xù)說明，分別對橋墩編號為D4、D5、D6和D7。

2 抗震設(shè)防標準與性能目標

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/T B02-01—2008)(以下簡稱“細則”)第3.1.1條，E1地震作用下設(shè)防目標是“一般不受損傷或不需修復可繼續(xù)使用”；E2地震作用下設(shè)防目標是“保證結(jié)構(gòu)不致倒塌或產(chǎn)生嚴重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時加固修復后可供維持應(yīng)急交通使用” 。 E2地震作用下，在縱、橫橋向地震激勵下，墩柱各關(guān)鍵截面最不利地震彎矩需求小于等效屈服彎矩，截面保持彈性工作狀態(tài)為宜，在預估配筋率下，各關(guān)鍵截面均能滿足抗震性能目標。根據(jù)細則，龍?zhí)链髽驗槌Ｒ?guī)橋梁，抗震設(shè)防類別為B類。橋址區(qū)域場地類別為Ⅱ類，設(shè)計基本地震加速度值為0.30g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，抗震設(shè)防烈度為8度；采用50年50%超越概率(E1，簡稱P1概率,對應(yīng)地震重現(xiàn)期75年)和50年5%超越概率(E2，簡稱P2概率，對應(yīng)地震重現(xiàn)期1 000年)2種超越概率地震動進行抗震設(shè)防。

3 反應(yīng)譜和時程作用參數(shù)

根據(jù)橋址區(qū)場地的地震動特性，選擇在不同超越概率下對應(yīng)的地震動參數(shù)和設(shè)計反應(yīng)譜。地震動峰值加速度為0.30g，混凝土橋梁阻尼比采用0.05。表1為水平地震動峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)。

表1 場地地表水平向地震動峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)值(阻尼比5%)

根據(jù)《海南省龍?zhí)聊隙山髽蝽椖抗こ虉龅氐卣鸢踩栽u價報告》，選取其中50年5%超越概率的加速度時程曲線進行橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析。圖1為50年50%超越概率的加速度時程曲線，圖2、3為其中2條50年5%超越概率的加速度時程曲線。

圖1 50年50%超越概率的地震加速度時程曲線

圖2 E2地震加速度時程曲線1

圖3 E2地震加速度時程曲線2

4 反應(yīng)譜與時程結(jié)果對比分析

4.1 基本參數(shù)

運用MIDAS CIVIL軟件建立本橋有限元動力計算模型，順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸；主梁、墩柱采用彈性梁單元模擬，單元質(zhì)量通過桿端節(jié)點質(zhì)量效應(yīng)模擬；承臺近似按剛體模擬，其質(zhì)量通過承臺質(zhì)心節(jié)點質(zhì)量效應(yīng)模擬；橋墩底與承臺中心及樁頂中心節(jié)點用主從約束相連接。主梁的一期恒載由單元截面面積與密度相乘得出，二期恒載通過線質(zhì)量荷載形式加載至梁單元上；樁土間的共同作用采用土彈簧來模擬，動力模型如圖4所示。

圖4 橋梁動力模型

支座布置如圖5所示。E1地震分析時，不考慮減隔震支座的抗震性能，按普通支座進行考慮。支座采用彈性連接模擬，豎向剛度取107kN·m-1，水平約束方向的剛度取106kN·m-1。E2地震分析時，地震作用應(yīng)考慮減隔震支座的影響，按照《公路橋梁摩擦擺式減隔震支座》(JTT 852—2013)相關(guān)規(guī)定，擬定采用的摩擦擺減隔震支座特性如表2所示。

圖5 支座布置

表2 摩擦擺減隔震支座參數(shù)

4.2 反應(yīng)譜作用分析

采用常規(guī)約束體系，即盆式橡膠支座，在E2反應(yīng)譜作用下，主墩、邊墩控制截面內(nèi)力計算結(jié)果如表3所示。

由表3可知：在E2反應(yīng)譜作用下，主墩控制截面彎矩超越了截面的等效屈服彎矩值，即主墩底截面已進入塑性狀態(tài)；邊墩控制截面彎矩與截面等效屈服彎矩值相近，即邊墩底截面已接近塑性臨界狀態(tài)。由表3結(jié)論可知，傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法難以滿足要求。

表3 E2反應(yīng)譜作用下橋墩底控制截面內(nèi)力

4.3 時程分析

提取地震E2最不利組合下，主墩的控制截面處內(nèi)力，并結(jié)合各控制截面的M-φ曲線和P-M曲線，得到各截面的能力驗算結(jié)果，如表4、5所示。

表4 E2時程作用下D5、D6主墩橋墩底控制截面內(nèi)力情況

表5 E2時程作用下D4、D7邊墩橋墩底控制截面內(nèi)力情況

由表5可知，在E2時程作用下采用減隔震技術(shù)后，主墩、邊墩控制截面彎矩遠小于截面的等效屈服彎矩，即截面處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全儲備相對較大。

4.4 結(jié)構(gòu)振動周期對比

橋梁結(jié)構(gòu)自振周期與地震響應(yīng)內(nèi)力關(guān)聯(lián)程度高，根據(jù)細則10.1.6條，采用減隔震設(shè)計橋梁的基本周期原則上應(yīng)為常規(guī)體系橋梁的2倍以上，提取計算結(jié)果2個典型模態(tài)進行比較，結(jié)果見表6。

表6 不同約束體系地震響應(yīng)比較結(jié)果(結(jié)構(gòu)周期對比)

4.5 時程作用下支座位移分析

在E2時程作用下，D4、D7邊墩和D5、D6主墩在地震作用下的最大位移驗算結(jié)果如表7所示。

表7 縱橋向不同約束體系地震響應(yīng)比較結(jié)果(支座位移響應(yīng)比較)

由表7可知，D4、D7邊墩和D5、D6主墩在地震作用下的最大位移驗算滿足要求，且較常規(guī)支座體系位移降幅明顯。

4.6 兩種約束體系下地震作用響應(yīng)對比

縱橋向、橫橋向地震作用下響應(yīng)均較大，本文就常規(guī)體系與減隔震體系2種不同約束體系橋墩控制截面的地震響應(yīng)進行內(nèi)力比較，結(jié)果見表8。

表8 縱橋向不同約束體系控制截面地震響應(yīng)比較結(jié)果(內(nèi)力響應(yīng)比較)

由表8可知，采用摩擦擺減隔震支座后，縱橋向加豎向地震作用相對常規(guī)體系，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移響應(yīng)顯著下降，D4、D7邊墩縱橋向、橫橋向內(nèi)力降幅分別為34%和43%，D5、D6主墩墩底內(nèi)力降幅分別為76%和79%，邊墩支座位移降幅約39%。結(jié)果表明，采用減隔震體系大幅減小了地震作用內(nèi)力響應(yīng)，支座位移控制響應(yīng)在合理范圍內(nèi)，減震效果明顯，可有效改善受力狀況。

4.7 對比分析結(jié)論

(1)自振周期：采用減隔震技術(shù)后，第一、二階結(jié)構(gòu)自振周期分別增長2.31、2.68倍，振動頻率大幅減緩，地震直接作用效應(yīng)響應(yīng)延緩，減震效果顯著。

(2)內(nèi)力：采用非減隔震體系，在地震波作用下固定墩墩底控制截面內(nèi)力巨大，結(jié)構(gòu)截面尺寸和配筋量需求均較大，采用減隔震體系，橋墩的順橋向、橫橋向減震率最高達76%和79%，橫橋向減震效果更加敏感，對高能量地震減震效果好。采用減隔震體系后，預估配筋滿足抗震性能需求。

(3)位移：采用減隔震體系，墩頂順、橫橋向的位移下降明顯，均在20%以上。支座可有效恢復變形，主梁位移在容許控制范圍內(nèi)，橋梁更加安全。

5 結(jié) 語

(1)混凝土梁橋基本振動周期較小，場地條件相對較好，適用于細則規(guī)定的減隔震裝置適用條件。結(jié)合當?shù)毓こ探?jīng)驗，對于高跨比小于0.3的橋梁宜采用連續(xù)梁體系，慎用剛構(gòu)體系。

(2)通過對常規(guī)約束體系、摩擦擺支座減隔震體系2種不同約束結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力、位移及周期進行分析計算，并進行對比可知，在縱橋向或橫橋向地震作用下，摩擦擺支座減隔震體系不僅能夠大幅減小全橋結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)，還能有效控制支座位移響應(yīng)，對本橋非常有效，可推廣應(yīng)用。

(3)由對比結(jié)果建議延伸應(yīng)用范圍：一是基本地震動峰值加速度0.15g以上裝配式結(jié)構(gòu)橋梁(空心板、小箱梁)或中小跨徑等截面現(xiàn)澆箱梁，可優(yōu)先采用鉛芯或高阻尼橡膠支座；二是基本地震動峰值加速度在0.10g及以下橋梁可采用常規(guī)抗震方案。