摩擦擺支座在大跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

丁 毅，孫曉珍

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2. 山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103）

引言

大跨度公路橋梁一般都是交通運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，它的破壞直接影響到整條路線的貫通，修補(bǔ)時(shí)間長(zhǎng)，社會(huì)影響大。因此，如何對(duì)大跨度公路橋梁進(jìn)行正確的抗震分析，防震于未然，是抗震研究和設(shè)計(jì)的重中之重。

隨著人類與地震災(zāi)害的不斷斗爭(zhēng)，人類對(duì)地震的認(rèn)識(shí)也逐漸深入，抗震設(shè)計(jì)理論也由簡(jiǎn)化靜力理論發(fā)展為動(dòng)力理論，目前國(guó)內(nèi)外常用的抗震理論主要為反應(yīng)譜計(jì)算法和時(shí)程分析法。

1 工程概況

現(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）要求，對(duì)于A類、B類和C類橋梁必須進(jìn)行E1和E2地震作用的抗震設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

本橋位于某高速公路，主跨跨徑組合為60 m+100 m +60 m，上部采用單箱單室的變截面連續(xù)箱梁，中支點(diǎn)梁高為6 m，跨中梁高為2.5 m，橋面寬為16.5 m，底板厚度為30～80 cm，腹板厚60～80 cm，橋墩為矩形截面，見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 橋型布置/cm

圖2 主梁橫斷面/cm

圖3 主墩立面 /cm

圖4 邊墩立面/cm

表1 主要地震指標(biāo)

該橋梁屬于B類橋梁，其抗震設(shè)防目標(biāo)是小震（E1地震作用，重現(xiàn)期約為50～100 a）下，結(jié)構(gòu)一般不受損壞或不需修復(fù)即可繼續(xù)使用；大震（E2地震作用，重現(xiàn)期約為2 000 a）下，結(jié)構(gòu)倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固后可維持應(yīng)急交通使用。

2 計(jì)算分析模型

本橋位于高震區(qū)，橋梁采用減隔震支座體系，屬于非規(guī)則橋梁，因此采用時(shí)程分析法建立模型進(jìn)行地震分析。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)自身的特性，采用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋有限元模型，主梁、墩柱及樁基均采用梁?jiǎn)卧M，見(jiàn)圖5。

圖5 有限元模型

2.1 支座模擬

常規(guī)橋梁支座既要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞過(guò)來(lái)的豎向荷載，又要調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，很難滿足地震大位移的需求，地震力作用下往往最先被破壞，與能力保護(hù)構(gòu)件原則相違背。FPQZ支座隔震工作原理，見(jiàn)圖6。

圖6 單擺工作原理

FPQZ支座隔震消能原理是利用圓弧滑動(dòng)面的設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，降低地震響應(yīng)，并且通過(guò)滑動(dòng)面之間的摩擦耗散地震能，進(jìn)一步降低地震響應(yīng)。FPQZ支座工作的回復(fù)力模型用荷載-位移的水平滯回曲線模型模擬，見(jiàn)圖7。圖中：μ—?jiǎng)幽Σ料禂?shù)；W—豎向荷載，kN；Kp—支座初始剛度，kN/m；Keff—支座等效剛度kN/m；D—減隔震位移量，mm。

圖7 荷載-位移滯回曲線

支座布置方案見(jiàn)圖8。

圖8 支座布置方案

計(jì)算模型采用雙折線彈塑性彈簧單元進(jìn)行支座模擬，根據(jù)表2內(nèi)容選取連接單元滯回曲線參數(shù)。

表2 FPQZ支座設(shè)計(jì)參數(shù)

支座其它參數(shù)：摩擦擺支座限位錨栓的剪斷力一般為其豎向承載力的10%，采用支座對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)剪斷力分別為450 kN和3 000 kN。

隔震周期：

摩擦擺支座的曲率半徑R=4.0 m時(shí)，其隔震周期為4.01 s。

2.2 樁-土作用模擬

依據(jù)細(xì)則[2]第6.3.8條，建立橋梁抗震分析模型應(yīng)考慮樁土的共同作用，樁土的共同作用可用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度可采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)來(lái)計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算時(shí)，土抗力的取值比靜力大，一般取（2～3）倍m靜，本文m動(dòng)取m靜的2.5倍。

2.3 地震激勵(lì)的選取

考慮到地震的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)加速度時(shí)程不小于3組，且應(yīng)保證任意兩組間同方向時(shí)程的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值小于0.1。時(shí)程分析的最終結(jié)果，當(dāng)取3組計(jì)算結(jié)果的最大值。

該橋場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告在地震危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010），并依據(jù)重要工程反應(yīng)譜的確定原則，確定工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜：

式中：Sa（T）—周期為T(mén)時(shí)的反應(yīng)譜值；T—反應(yīng)譜周期，s； Amax—峰值加速度，cm/s2；T0、Tg—反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期，s；βm—反應(yīng)譜放大倍數(shù)最大值；C—衰減系數(shù)。

本橋地表5% 阻尼比50 a、100 a不同超越概率水平向、豎向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)所提供的反應(yīng)譜參數(shù)，人工合成3條時(shí)程波，見(jiàn)圖9。

圖9 E2地震時(shí)程波

3 抗震分析

3.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與目標(biāo)

設(shè)計(jì)采用E1地震作用和E2地震作用兩種地震水平進(jìn)行抗震設(shè)防。參考相關(guān)規(guī)范要求以及類似大橋的研究成果，確定抗震性能目標(biāo)：（1）遭受E1地震作用時(shí)，不剪斷3號(hào)制動(dòng)墩支座的抗剪螺栓、FPQZ支座不發(fā)生滑動(dòng)，全橋?yàn)榭拐痼w系、墩柱保持彈性不發(fā)生損傷。（2）遭受E2地震作用時(shí)，剪斷3號(hào)制動(dòng)墩支座的抗剪螺栓、FPQZ支座發(fā)生滑動(dòng)，全橋?yàn)闇p隔震體系、墩柱保持彈性不發(fā)生損傷。（3）支座為能力保護(hù)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)進(jìn)入減隔震體系后，支座能有效發(fā)揮其功能，結(jié)構(gòu)整體位移可控。

3.2 時(shí)程分析結(jié)果

3.2.1 隔震周期

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用普通球形支座時(shí)，橋梁震動(dòng)周期為0.93 s，改用FPQZ支座后，震動(dòng)周期延長(zhǎng)至2.41 s，周期增加了1.6倍，周期延長(zhǎng)效果明顯。

3.2.2 位移反應(yīng)

由于橋梁為近對(duì)稱結(jié)構(gòu)，表4、表5僅列出1#墩和2#墩的相關(guān)位移和變形值。

表4 E2作用下縱橋向位移/cm

表5 E2作用下橫橋向位移/cm

支座在E2作用下發(fā)生最大21.6 cm左右的變形，根據(jù)該計(jì)算的最大位移，取支座球面擺動(dòng)位移所能達(dá)到的最大值即設(shè)計(jì)減隔震位移量值為25 cm，變形小于支座允許位移量，支座在恢復(fù)力作用下可逐漸恢復(fù)至初始位置。

3.2.3 橋墩內(nèi)力反應(yīng)

當(dāng)采用普通球形支座時(shí)，固定支座置于中間主墩頂，經(jīng)計(jì)算，E1作用下，該支座所對(duì)應(yīng)的橋墩墩頂理論水平力為12 600 kN；E2作用下為54 100 kN，但球形支座一般在水平力大于其承載力10%后就會(huì)剪切破壞。支座作為一個(gè)能力保護(hù)構(gòu)件，它的破壞很可能導(dǎo)致落梁等重大災(zāi)害的發(fā)生。

表6 E1作用下橋墩縱橋向內(nèi)力

可以看出：E1作用下，墩頂水平剪力小于剪斷力；E2地震作用下，墩頂最大水平剪力超過(guò)限值，限位裝置被剪斷，橋梁進(jìn)入減隔震體系。邊墩主筋配置為單層Φ28的HPB400鋼筋，主墩為雙層Φ28的HPB400鋼筋，間距均為10 cm。E2作用下邊墩和主墩的最大裂縫寬度分別為0.11 mm和0.16 mm，小于0.2 mm的限值要求，整個(gè)截面保持在彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)基本無(wú)損傷。在地震力作用下，采用FPQZ支座的橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況良好，能達(dá)到預(yù)計(jì)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)。

表7 E2作用下橋墩縱橋向內(nèi)力

4 結(jié)語(yǔ)

（1）FPQZ支座能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的震動(dòng)周期，達(dá)到消耗地震能量的目的，有效降低橋墩受到的地震水平剪力和彎矩，使墩柱一直處于彈性受力狀態(tài)，從而避免地震對(duì)下部及基礎(chǔ)的破壞。同時(shí)，該類型支座允許發(fā)生大的變形且可恢復(fù)，地震作用下不易損壞，有效防止了落梁等病害的發(fā)生。（2）抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，設(shè)計(jì)中應(yīng)針對(duì)不同的橋梁類別，采用合理的計(jì)算方法，并采取行之有效的抗震措施和抗震體系設(shè)計(jì)，確保橋梁結(jié)構(gòu)小震不壞，中震可修，大震不倒。