不同支座對異形斜交梁橋減隔震性能的影響研究*

曹 鋒， 馬 鵬， 靳威燕

(1.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810007；2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

橋梁減隔震原理就是通過減隔震裝置將橋梁上下部結(jié)構(gòu)隔離開來[1]，減隔震裝置通過延長橋梁自振周期以避免地震動卓越周期[2]，從而減少地震動能量傳到下部結(jié)構(gòu)，避免橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大而損壞。超高阻尼橡膠支座對地震引起的梁的位移能夠較好的控制，不同地震波入射角度及地震響應(yīng)方向?qū)B續(xù)梁橋動力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果有一定影響[3-5]。以天水陸港大道第一聯(lián)(30+28.5)m異形斜交連續(xù)梁橋?yàn)閷?shí)際工程背景，采用非線性時(shí)程分析方法，對普通橡膠支座和SHDR支座的地震反應(yīng)的反應(yīng)分別進(jìn)行研究分析，研究在7種地震波不同入射角作用下1號固定墩和2號活動墩底縱向、橫向彎矩值、墩頂位移值特性，為異形斜交梁橋減隔震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及計(jì)算模型

1.1 工程概況

渭河五橋(陸港大道)橋梁工程屬于甘肅(天水)國際陸港市政基礎(chǔ)設(shè)施工程的一部分。渭河五橋第一聯(lián)左幅異形斜交梁，橋梁跨徑布置為(30+28.5)m，中間橋墩斜交76.2°設(shè)置，0#橋臺和1#墩正交設(shè)置，1#橋墩，采用1600mm×2200mm矩形橋墩為固定墩，2#橋墩采用1600mm×2000mm帶倒角矩形花瓶型橋墩為活動墩。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，橋面雙幅布置，單幅橋?qū)捰?3m漸變到17.5m， 17.5m標(biāo)準(zhǔn)斷面布置形式為人行道(2.5m)、非機(jī)動車道(2.5m)、機(jī)非分隔帶(0.5m)、行車道(11.5m)以及防撞護(hù)欄(0.5m)，箱梁高度為1.8m。

1.2 有限元模型

1.2.1 抗震計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，橋抗震設(shè)計(jì)的參數(shù)如下：橋梁抗震設(shè)計(jì)為A類，橋梁設(shè)防類別為丙類，地震動峰值加速度為0.3g，抗震設(shè)防烈度為8°，場地類別為Ⅱ類，分區(qū)特征周期為0.4s，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.4s，反應(yīng)譜阻尼比為0.05，振型組合方式為CQC。

該橋采用SHDR支座，為非規(guī)則橋梁，為了能夠反映橋梁的實(shí)際動力特性，并考慮SHDR支座的非線性特性，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，該橋抗震分析選取E2地震作用下七條人工擬合地震波作為地震動輸入，計(jì)算結(jié)果取7組地震波計(jì)算結(jié)果的平均值。在E2地震作用下，將七條人工擬合波反應(yīng)譜與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜對比分析，如圖1所示，吻合效果較好。

圖1 擬合波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

1.2.2 支座模擬參數(shù)

橋梁超高阻尼隔震橡膠支座(SHDR)由超高阻尼隔震橡膠層、上下連接鋼板以及內(nèi)部加勁鋼板迭層粘結(jié)組成；其中連接鋼板是支座與建筑物、支座與地基連接的基礎(chǔ)，同時(shí)傳遞支撐力；內(nèi)部加勁鋼板提高支座的豎向剛度，使其有效的支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)；而鋼板間的超高阻尼隔震橡膠賦予支座吸收能量、彈性復(fù)位和承載能力。因此，超高阻尼隔震橡膠支座不但有普通橡膠支座的承載特性，同時(shí)具有較高的阻尼性能。這使得超高阻尼隔震橡膠支座具有優(yōu)良的隔震、耗能、抗沖擊破壞的能力。SHDR支座滯回曲線一般可近似的將滯回曲線簡化為雙線性曲線[7-8]，如圖2(a)所示。

(a)SHDR支座 (b)FPQZ支座

根據(jù)靜力計(jì)算支座承載力要求，橋SHDR支座采用2種型號，分別為：SHDR 970×970×173G1.0(20)，SHDR 1270×1270×179G1.0(20)，具體支座參數(shù)詳見表1。

表1 SHDR支座參數(shù)表

根據(jù)靜力計(jì)算支座承載力要求，橋FPQZ支座采用2種型號，分別為：FPQZ(Ⅱ)-9000，F(xiàn)PQZ(Ⅱ)-15000，具體支座參數(shù)詳見表2。

表2 FPQZ支座參數(shù)表

1.2.3 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil—2019建立橋梁空間三維抗震模型，考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的共同剛度。橋墩和樁基礎(chǔ)采用梁單元來模擬，支座模擬采用一般連接，樁基礎(chǔ)底部固結(jié)，樁基土的彈性抗力采用土彈簧模擬。由于橋臺各方向剛度均較大，故沒有模擬橋臺，采用在橋臺支座底部固結(jié)的方式進(jìn)行模擬。

2 橋梁地震響應(yīng)分析

2.1 動力特性

采用Lanczos法對全橋動力特性進(jìn)行分析，分別采用SHDR支座與普通支座時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的前10階振型周期，如表3所示。采用SHDR支座時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)第1階、第5階振型示意如圖3所示。

表3 全橋結(jié)構(gòu)動力特性

(a)第1階振型圖 (b)第5階振型圖

從表3可見，異性斜交橋梁結(jié)構(gòu)采用FPQZ支座，結(jié)構(gòu)前三階自振周期增大最大，SHDR支座的前三階周期增大較小為FPQZ支座的一半，F(xiàn)PQZ支座在增大周期方面比SHDR支座效果更好，增大自振周期可以錯(cuò)開地震動卓越周期，使結(jié)構(gòu)延性增加，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，進(jìn)一步確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全[9-10]。

2.2 E2地震作用下時(shí)程分析結(jié)果

全橋動力模型分別采用SHDR支座、FPQZ支座和普通支座時(shí)，對墩底位置截面在E2地震作用下墩底最大內(nèi)力及墩頂最大位移進(jìn)行研究(內(nèi)力及位移均為7條地震波平均值)。1#固定墩和2#活動墩墩底隨地震波入射角(入射角為沿縱橋向的右偏角)的變化情況，如圖4-5所示。

由圖4可見，1#墩采用普通支座時(shí)地震反應(yīng)內(nèi)力最大值Mx,My發(fā)生在150°地震波入射角處，最小值發(fā)生在45°處。當(dāng)采用超高阻尼SHDR支座和摩擦擺FPQZ支座后，1#墩My隨地震波入射角的變化規(guī)律與普通支座相同；Mx隨地震波入射角的變化規(guī)律，SHDR支座和FPQZ支座與普通支座相反，這由于橫橋向減隔震支座改變結(jié)構(gòu)的振動特性。1#墩縱橫橋向內(nèi)力采用SHDR支座和FPQZ支座后，內(nèi)力最大值大幅減小，采用SHDR支座內(nèi)力隨入射角的變化幅度最小，減隔震性能較FPQZ支座好。

由圖5可見2#墩采用普通支座時(shí)，地震反應(yīng)內(nèi)力最大值Mx,My發(fā)生在45°地震波入射角處，最小值發(fā)生在150°處，這與1#墩的采用普通支座的情況正好相反。當(dāng)采用超高阻尼SHDR支座和摩擦擺FPQZ后，2#墩縱橋向內(nèi)力My隨地震波入射角的變化規(guī)律與1#墩采用減隔震支座基本相同，2#墩橫橋向內(nèi)力Mx隨地震波入射角的變化規(guī)律與1#墩采用減隔震支座相差30°相位角。采用SHDR和FPQZ支座后，2#墩My明顯增大，這是由于減隔震支座分擔(dān)全橋縱向地震力所致，且SHDR支座與FPQZ支座相比左右墩受力更均勻，對全橋的受力更為有利。

由圖4-5分析可見，該異形中墩斜交梁地震反應(yīng)受地震波入射角的影響較大，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地震波入射角的影響，內(nèi)力反應(yīng)最大值與普通的直線正交梁橋情況不同，正交墩和斜交墩最大最小內(nèi)力發(fā)生在2倍斜交角入射角和1/2～2/3斜交角入射地震波作用下，采用普通支座和減隔震支座時(shí)最大最小內(nèi)力發(fā)生入射角也不相同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這幾種工況。

在E2地震作用下，異性斜交橋梁結(jié)構(gòu)1#固定墩和2#活動墩分別采用SHDR支座、FPQZ支座和普通支座時(shí)，墩頂縱橋向及橫橋向的最大位移值Dy,Dx隨地震波入射角的變化關(guān)系，如圖6-7所示。

由圖6可見1#墩采用普通支座時(shí)，地震反應(yīng)墩頂最大位移最大值Dy發(fā)生在150°地震波入射角處，最小值發(fā)生在45°處，橫橋向正好相反。由圖11可見2#墩的墩頂最大位移隨入射角的變化規(guī)律與1#基本相同，只有2#墩縱橋向在SHDR支座和FPQZ支座下分擔(dān)了更多的地震作用，墩頂位移較普通支座增加。采用減隔震支座后， 1#墩與2#墩協(xié)同受力，振動特性接近。

由圖6-7可見，該異形中墩斜交梁地震作用下墩頂位移受地震波入射角的影響較大，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地震波入射角的影響，這與普通的直線正交梁橋不同。采用普通支座和減隔震支座時(shí)，斜交墩和相鄰正交墩縱橋向最大位移發(fā)生在2倍斜交角入射地震波作用下，橫橋向最大位移發(fā)生在入射角為1/2～2/3斜交角方向，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這兩種工況。

從減隔震特性分析可見，SHDR支座性能較FPQZ支座較好，且FPQZ滑動有抬梁效益破壞橋面伸縮縫等附屬設(shè)施，本橋最后采用SHDR支座。該橋采用支座的容許位移[D]為75mm，采用普通支座時(shí)固定墩的最大位移Dy為257.9mm，超過容許范圍；采用SHDR支座后固定墩的最大位移Dy為62.6mm，滿足容許值要求。

圖4 E2地震作用下1#墩底內(nèi)力-最大值(×103kN·m)

圖5 E2地震作用下2#墩底內(nèi)力-最大值(×103kN·m)

圖6 E2地震作用下1#墩頂位移-最大值(mm)

圖7 E2地震作用下2#墩頂位移-最大值(mm)

3 結(jié) 論

以天水陸港大道第一聯(lián)(30+28.5)m異形斜交連續(xù)梁橋?yàn)閷?shí)際工程背景，采用非線性時(shí)程分析方法，對普通橡膠支座、SHDR支座和FPQZ支座的地震反應(yīng)的反應(yīng)分別進(jìn)行研究分析，研究在7種地震波不同入射角作用下1號固定墩和2號活動墩底縱向、橫向彎矩值、墩頂位移值特性。

(1)異性斜交橋梁結(jié)構(gòu)采用FPQZ支座，結(jié)構(gòu)前三階自振周期增大最大，SHDR支座的前三階周期增大較小為FPQZ支座的一半，F(xiàn)PQZ支座在增大周期方面比SHDR支座效果更好，這是由于摩擦擺支座的減隔震原理主要通過增大自振周期實(shí)現(xiàn)；增大自振周期可以錯(cuò)開地震動卓越周期，使結(jié)構(gòu)延性增加，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，進(jìn)一步確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。

(2)采用SHDR支座和FPQZ支座后，1#固定墩縱橫橋向內(nèi)力大幅減小，內(nèi)力最大值大幅減小，采用SHDR支座內(nèi)力隨入射角的變化幅度最小，減隔震性能較FPQZ支座好。采用SHDR和FPQZ支座后，2#墩分擔(dān)全橋縱向地震力My明顯增大，這是由于減隔震支座分擔(dān)全橋縱向地震力所致，且SHDR支座與FPQZ支座相比左右墩受力更均勻，對全橋的受力更為有利。

(3)采用SHDR支座和FPQZ支座時(shí)使固定墩縱、橫向位移均大幅減小，活動墩縱橋向位移較普通支座增加，使結(jié)構(gòu)變?nèi)?，結(jié)構(gòu)阻尼增加，可進(jìn)一步提高耗能能力。

(4)異形中墩斜交梁地震作用下墩底內(nèi)力和位移受地震波入射角的影響較大，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地震波入射角的影響，采用普通支座和減隔震支座時(shí)最大最小內(nèi)力發(fā)生入射角也不相同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮。