采用拉索減震支座的大跨度斜拉橋抗震性能分析

柳春光，黃晶晶

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

隨著橋梁工程的發(fā)展，大跨度柔性斜拉橋的抗震設(shè)計越來越受到重視。由于良好的減隔震效果[1-3]以及震后易修復(fù)、更換快，減隔震設(shè)計是現(xiàn)在抗震領(lǐng)域的熱點問題。支座減隔震設(shè)計[4-5]具有上述減隔震設(shè)計的優(yōu)點，自其發(fā)明以來，被廣泛用于全世界的橋梁工程中，并取得了不錯的效果。

減、隔震技術(shù)是利用減隔震裝置減小輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震動、設(shè)置耗能裝置耗散、吸收地震動能量，因而很大程度上減少橋梁的地震響應(yīng)。減、隔震基本原理為[6]：(1) 通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置具有整體復(fù)位功能的隔震層以降低結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)自振頻率，將上部結(jié)構(gòu)和地震動隔離開來，從而減小傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震能量，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)；(2) 在結(jié)構(gòu)上配備消能減震裝置，通過阻尼材料的大變形、摩擦耗能、彎曲等方式消耗地震能量從而減小由于剛度減小而導(dǎo)致的過大位移；(3) 減隔震裝置具有足夠的強度與剛度來滿足正常使用極限狀態(tài)下的水平承載能力。

鉛芯橡膠支座、疊層橡膠類支座[7]、雙曲面球型鋼支座[8]。鉛芯橡膠支座是應(yīng)用很普遍的減隔震支座，通過鉛芯的阻尼和橡膠的變形吸收并耗散地震能量，并且其滯回特性受水平加載方向影響不大，但其剪切強度受豎向承載影響較大，對多頻地震波減隔震效果有限，且其自恢復(fù)性能隨鉛芯直徑增大而減弱；疊層橡膠類支座有著足夠大的豎向承載能力和豎向剛度，但其水平剛度很小，水平向容易產(chǎn)生較大變形，因而不能適用于大跨徑橋梁；雙曲面球型鋼支座耗能性能穩(wěn)定、自復(fù)位性能好，但是在地震作用下，容易使梁端產(chǎn)生豎向位移，因而在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次生內(nèi)力，不利于上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

本文使用了拉索減震支座[9]作為減隔震裝置，并通過一座大跨度斜拉橋驗證了其減隔震效果。這種支座一定程度上能夠克服上述幾種支座的缺點，在結(jié)構(gòu)地震力與梁體位移[10]之間找到一個平衡。

1 工程概況

本文所研究的大跨度斜拉橋采用半漂浮體系，設(shè)計使用年限為120 a。圖1是該橋橋型布置圖。本橋為雙塔鋼箱梁截面橋，橋跨布置為(110+236+458+236+110)m，邊中跨比例為0.515∶1。主梁高4.5 m，底寬21.2 m，頂寬33.8 m，主梁為挑壁翼緣板的扁平流線型鋼箱梁。橋塔采用獨柱式，采用H形框架結(jié)構(gòu)，箱型斷面，塔高180 m，上下塔柱分別高135 m、45 m，上下塔柱為空心矩形斷面、倒角空心菱形斷面，橋塔材料為鋼筋混凝土，橋塔上部聯(lián)結(jié)采用不銹鋼材料。現(xiàn)澆混凝土承臺，承臺共計厚10 m，采用大直徑樁基礎(chǔ)復(fù)合群鋼管樁，承臺下設(shè)36根鉆孔灌注樁，最大樁長118.8 m。斜拉索采用扇形式雙索面布置，由φ7 mm平行鋼絲索組成，根據(jù)索力大小可將斜拉索分為7種規(guī)格，總共有112根斜拉索?；炷敛捎肅50，鋼材采用Q345qD鋼。

圖1斜拉橋橋型布置(單位：m)

2 有限元模型

2.1 建立模型

(1)

式中：Eeq為拉索的等效模量；r為斜拉索的重度；lc為拉索的水平投影長度；E為斜拉索的彈性模量；σ為斜拉索中的拉應(yīng)力。

圖2斜拉橋全橋有限元模型

2.2 地震波的輸入

為考慮到結(jié)構(gòu)地震動力分析中非線性因素的影響，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》[14](JTG/T B02-01—2008)，宜采用時程分析法對此橋梁進行有限元動力分析。本文跟據(jù)該大橋場地地震安全性評估報告提供的相應(yīng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和地震動參數(shù)得到該場地的設(shè)計反應(yīng)譜，從而根據(jù)設(shè)計反應(yīng)譜人工合成地震波，使人工波加速度時程的反應(yīng)譜近似滿足設(shè)計反應(yīng)譜，進而進行地震動的輸入。地震動的輸入采用縱向+豎向的方式，豎向時程由《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》公式5.2.5可知，由水平時程乘以1/2得到。人工合成6條地震波，計算結(jié)果取6組結(jié)果的平均值。將地震波加速度峰值均調(diào)整為0.4g，阻尼比取5%，持續(xù)時間長為40 s。

圖3是由場地條件得到的設(shè)計反應(yīng)譜，圖4列舉了一條人工擬合地震波的地震反應(yīng)譜，將此反應(yīng)譜與輸入的反應(yīng)譜比較可知，二者擬合的比較好。

圖3 設(shè)計反應(yīng)譜

圖4人工波反應(yīng)譜和輸入的反應(yīng)譜比較

2.3 地震響應(yīng)特征分析

為研究拉索減震支座的減隔震作用，并獲得最佳的支座布置形式，設(shè)置以下4種工況并建立相應(yīng)有限元模型。拉索減震支座的自由程均設(shè)置為50 mm，拉索的水平剛度3×105kN/m，分析斜拉橋縱橋向減震效果[15]。

工況1：過渡墩、輔助墩頂與橋塔處均設(shè)置普通盆式支座。

工況2：橋塔處安裝拉索減震支座，過渡墩、輔助墩頂設(shè)置普通盆式支座。

工況3：橋塔處與輔助墩頂安裝拉索減震支座，過渡墩頂設(shè)置普通盆式支座。

工況4：過渡墩、輔助墩頂與橋塔處均安裝拉索減震支座。

表1為4種工況下過渡墩、輔助墩與橋塔縱橋向墩梁相對位移值。從表1中可以看出，在地震作用下，工況1墩梁相對位移較大，最大可達0.380 m；相比工況1，工況2墩梁相對位移在過渡墩、輔助墩與橋塔處有不同程度減小，橋塔處支座變形為0.086，縱橋向相對位移值減小最大可達72.5%，但是未使用拉索減震支座處相對位移依然較大；工況3橋塔與輔助墩處的縱橋向相對位移減小均可達70%以上，過渡墩處縱橋向相對位移依然較大；工況4全橋布置拉索減震支座，橋塔、橋墩處縱向相對位移均顯著減小，均可達70%以上。由上述討論可知，拉索減震支座限位作用明顯，全橋采用拉索拉索減震支座可使所有支座縱橋向變形控制在90 mm以內(nèi)，為使橋墩、橋塔處不產(chǎn)生過大縱向相對位移，采用全橋布置拉索減震支座的形式為宜。

2.4 工況1、工況4地震響應(yīng)對比

圖5展示了地震波作用下，工況1和工況4主梁位移時程變化。由圖7可知，工況4主梁峰值位移為0.45 m，工況1主梁峰值位移為0.47 m，工況4情形下主梁縱橋向峰值位移有所削弱，表明拉索減震支座對主梁位移有一定束縛作用。

表1 各工況下橋梁墩梁縱橋向相對位移對比

圖5主梁位移時程曲線圖

圖6、圖7給出了1號過渡墩和2號輔助墩墩頂縱橋向位移時程圖。由圖可知，1號過渡墩在工況1和工況4下的墩頂縱橋向最大位移分別為0.34 m、0.41 m，2號輔助墩在工況1和工況4下的墩頂縱橋向最大位移分別為0.37 m、0.43 m，即相比于普通盆式支座，采用拉索減震支座后，墩頂位移最大值有所增大，這主要是因為當(dāng)拉索減震支座變形超過其自由程時，拉索的限位作用顯現(xiàn)，墩梁相對位移受到抑制，下部結(jié)構(gòu)承受的慣性力因此增大，墩頂位移也因而增大。

圖61號過渡墩墩頂縱橋向位移時程曲線圖

圖8、圖9給出了兩種工況下橋塔塔頂?shù)目v橋向位移時程曲線圖，工況4情形下3、4號橋塔塔頂縱橋向位移分別為0.59 m、0.60 m，工況1情形下3、4號橋塔塔頂縱橋向位移分別為0.56 m、0.58 m。由此可知，安裝拉索減震以后，橋塔塔頂縱橋向位移略有增大。

圖72號輔助墩墩頂縱橋向位移時程曲線圖

圖83號橋塔塔頂縱橋向位移時程圖

圖94號橋塔塔頂縱橋向位移時程圖

圖10、圖11給出了兩種工況下橋塔塔頂?shù)目v橋向加速度時程曲線圖，工況4情形下3、4號橋塔塔頂縱橋向最大加速度分別為12.618 m/s2、11.741 m/s2，工況1情形下3、4號橋塔塔頂縱橋向最大加速度分別為13.924 m/s2、12.188 m/s2。由此可知，安裝拉索減震以后，橋塔塔頂縱橋向加速度有一定減小。

圖12、圖13給出了兩種工況下S14、M14號拉索軸力時程曲線圖。S14號拉索在工況1和工況4下的最大軸力分別為7.99×103kN、8.33×103kN；M14號拉索在工況1和工況4下的最大軸力分別為5.99×103kN、6.31×103kN。在工況4下，斜拉索軸力有所增加。這是因為在拉索減震支座拉索的限制下，橋塔承受更大剪力，發(fā)生更大變形，斜拉索軸力也因此增大。

圖10 3號橋塔塔頂縱橋向加速度時程圖

圖114號橋塔塔頂縱橋向加速度時程圖

表2為工況1、工況4模型橋塔塔底、墩底縱橋向地震內(nèi)力值，從表2中可以看出，采用拉索減震支座的工況橋塔、墩底受力情況較采用普通盆式支座為大。其中橋塔塔底剪力、彎矩增加幅度最大，剪力增幅最大達52.6%，彎矩增幅最大達88.7%，過渡墩、輔助墩剪力和彎矩值也有較大程度的增長。這是由于地震作用下，拉索減震支座變形超過其自由程以后，拉索開始發(fā)揮限位作用，提供縱向約束，上部結(jié)構(gòu)傳遞到橋塔、橋墩的地震力增大。

圖12 S14號拉索軸力時程曲線圖

圖13M14號拉索軸力時程曲線

表2 工況1、工況4縱橋向橋塔和橋墩墩底地震內(nèi)力對比

3 結(jié) 論

本文以某大跨度斜拉橋為背景，介紹了幾種常見的減隔震支座的優(yōu)缺點，并著重介紹了拉索減震支座，探討了其在斜拉橋上的合理布置方式及其減隔震效果?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

(1) 采用拉索減震支座進行減隔震的大跨度斜拉橋，墩梁相對位移會明顯減小，由文中4種工況墩梁相對位移情況可知，為使各橋塔、橋墩處墩梁相對位移不至于過大，宜全橋安裝拉索減震支座。

(2) 安裝拉索減震支座以后，會對梁端位移有一定束縛作用，墩梁相對位移明顯減小，可將其控制在可接受范圍內(nèi)，從而有效避免落梁這種破壞性較大的震害發(fā)生。

(3) 橋塔塔頂縱橋向位移、斜拉索軸向力有一定程度增大，橋塔塔頂縱橋向加速度有所減小，橋塔、墩底地震內(nèi)力均有不同程度增大。