橋梁工程抗震設(shè)計中彈塑性鋼減隔震支座應(yīng)用分析

徐容

摘要：為了有效保障橋梁工程能夠在地震發(fā)生之后依舊穩(wěn)固與安全，需要將減隔震裝置應(yīng)用于橋梁減隔震設(shè)計環(huán)節(jié)。文章以某預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋為例，通過介紹彈塑性鋼減隔震支座（DNQZ支座）的結(jié)構(gòu)及原理，分析橋梁工程抗震設(shè)計中彈塑性鋼減隔震支座的應(yīng)用。經(jīng)軟件分析，在DNQZ支座實施應(yīng)用之后，結(jié)構(gòu)自振周期顯著延長，并能明顯地降低橋墩所承受剪力以及彎矩，橋墩在橫橋向以及順橋向均保持著更均勻的地震承受能力，可在全橋范圍內(nèi)達(dá)到協(xié)同抗震目的。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;抗震設(shè)計;彈塑性鋼減隔震支座

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：U443.36-A-28-094-3

0 引言

地震極大地危害著人類社會，如果橋梁在地震中受到損壞，會影響災(zāi)區(qū)重建以及抗震救援，所以在橋梁工程設(shè)計環(huán)節(jié)要高度重視抗震設(shè)計。在橋梁抗震設(shè)計環(huán)節(jié)運用減隔震裝置，不僅可以通過裝置具有的柔性結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)周期加以延長，有效緩解地震力，同時還能通過減震裝置耗能對因結(jié)構(gòu)周期延長引發(fā)的位移加以控制。目前橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中應(yīng)用的減隔震裝置主要為減隔震支座，包含了彈塑性鋼耗能體系、滑動摩擦體系、橡膠類隔震體系。相比后兩種，彈塑性鋼減隔震支座能夠通過變形耗能原理，獲得更優(yōu)良的減隔震效果。為此，有必要對橋梁工程抗震設(shè)計中彈塑性鋼減隔震支座的實施進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

本文選擇某預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋作為工程案例，此橋梁工程雙幅設(shè)計，主梁為變截面箱梁形式，塔高度為31 m，橋梁下部為柱式橋臺，同時橋梁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。橋梁區(qū)域當(dāng)中，反應(yīng)譜特征周期保持在0.45 s，地震動峰值加速度則保持在0.2 g。將彈塑性鋼減隔震支座設(shè)計應(yīng)用于此橋梁工程中，主要是對整聯(lián)沿橋中部進(jìn)行固定支座的設(shè)置，同時結(jié)合橋梁平時產(chǎn)生的位移布置活動支座，具體布置如圖1所示。結(jié)合抗震設(shè)防烈度以及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計所提要求，此支座在設(shè)計當(dāng)中屈服位移保持在33 mm，同時一次剛度保持在97.8 kN/mm，二次剛度保持在3.84 kN/mm。

2 彈塑性鋼減隔震支座的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 支座結(jié)構(gòu)

彈塑性鋼減隔震支座即為DNQZ支座，此支座立足功能層面分析，可劃分成4種類型，分別是縱向活動支座、橫向活動支座、雙向活動支座、固定支座[1]。在相應(yīng)支座結(jié)構(gòu)當(dāng)中，以固定支座作為案例，可發(fā)現(xiàn)此支座當(dāng)中主要包含3種基礎(chǔ)組成部分，分別為錨固連接構(gòu)件、減隔震組合裝置、球型鋼支座本體。其中，錨固連接構(gòu)件又包含錨固螺栓、套管、錨桿等部件，實際應(yīng)用中，分別把支座錨固設(shè)置在墩臺和主梁上。減隔震組合裝置又包含兩大組成部分：（1）以導(dǎo)向板和非線性阻尼輻所組建的一種導(dǎo)向耗能組件，這其中所包含的非線性阻尼輻可以有效耗散地震能量;（2）由限位耗能螺栓與限位板共同構(gòu)建的一種限位耗能組件，一旦發(fā)生地震，其中所包含的耗能螺栓有助于對地震能量加以耗散。球形鋼支座本體屬于一種新形式的球形鋼支座[2]。通常情況下，高烈度地震區(qū)域所分布的鐵路橋梁、市政橋梁、公路橋梁等工程均比較適合應(yīng)用DNQZ支座。

DNQZ支座以分離設(shè)計原則布局滑動面與轉(zhuǎn)動面，促使兩者可通過摩擦耗能，同時其周邊所設(shè)置非線性阻尼輻元件可在其牽制效能發(fā)揮下起到良好的防落梁作用，并且不同結(jié)構(gòu)之間在有效耗能基礎(chǔ)上，可達(dá)到多級設(shè)防設(shè)計目的[3]。在發(fā)生地震之后，只需對其中的彈塑性鋼阻尼元件以及限位裝置加以更換，便于后續(xù)維修與保養(yǎng)。這種類型的支座能使支座具有更高抗疲勞性能，并可發(fā)揮優(yōu)良的防落梁與減隔震效果。

2.2 支座原理

在DNQZ支座正常使用過程中，主要會利用限位裝置傳遞水平力。DNQZ支座在彈性工作期間，能夠滿足收縮徐變、溫度、動力等相關(guān)荷載作用所引發(fā)的常規(guī)位移。在E1地震狀態(tài)下，支座本體以及限位裝置都保持彈塑性工作，即便在極限情況發(fā)生的時候，限位裝置也只會出現(xiàn)非常微小的變形，不會對支座正常使用產(chǎn)生影響。如果水平方向的位移和支座設(shè)計位移無限接近，此時限位裝置會發(fā)生作用，使支座在滑動方向當(dāng)中限位，而固定支座和活動支座會同步承擔(dān)水平荷載力，使固定支座減小受力。在E2地震狀態(tài)下，支座本體保持彈性工作，此時運動方向所布置的限位裝置會處于被剪斷狀態(tài)，同時非線性阻尼保持工作狀態(tài)，同步出現(xiàn)較大塑性變形，不過沒有完全斷裂，基于不間斷的位移摩擦以及阻尼對地震能量加以耗散[4]。支座對有限位移加以鎖定，在緩解地震反應(yīng)基礎(chǔ)上，能夠預(yù)防上部落梁，保證橋梁交通在大震情況下不中斷。綜合來看，DNQZ支座呈現(xiàn)突出的分級耗能、逐級設(shè)防、協(xié)同抗震、位移鎖定等優(yōu)勢。

3 橋梁工程抗震設(shè)計中彈塑性鋼減隔震支座的實施分析

3.1 分析模型

對橋梁工程抗震設(shè)計當(dāng)中的DNQZ支座實時分析，主要方法包括功率譜法、動力時程法以及反應(yīng)譜法等。此次研究當(dāng)中，為分析DNQZ支座具體減隔震性能，選用的方法為非線性動力時程分析法。

通過有限元分析軟件針對全橋建立相關(guān)有限元模型，并通過三維梁單元對樁基、橋墩以及主梁進(jìn)行模擬。梁單元附加質(zhì)量選擇橫隔板荷載以及二期恒載，樁底保持固結(jié)，并通過土彈簧剛度對樁土作用加以模擬。主梁和橋塔保持固結(jié)，進(jìn)而通過多線段塑性隨動強化模型對橋梁支座加以模擬，保證橋墩與橋梁之間緊密連接。分析過程中，設(shè)置為E2地震狀態(tài)，同步對DNQZ支座橋梁以及未設(shè)置減隔震的支座橋梁實現(xiàn)動力時程分析。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 比較結(jié)構(gòu)自振周期

分析中，分別對DNQZ支座與非減隔震支座在實際應(yīng)用中，橋梁結(jié)構(gòu)前十階的自振周期以及陣型進(jìn)行對比。經(jīng)對比分析，發(fā)現(xiàn)相較于非減隔震支座，DNQZ支座可以使結(jié)構(gòu)保持更長的自振周期，并且在自振周期當(dāng)中，第1階延長了67%，第2階延長了118%，到了第3階延長達(dá)到214%，就前三節(jié)來說，其自振周期延長均值達(dá)到133%。另外，從陣型角度分析，通過DNQZ支座的實施應(yīng)用，能對橋梁結(jié)構(gòu)具體變形狀態(tài)加以優(yōu)化，尤其能夠優(yōu)化橋塔變形情況。

3.2.2 對比結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在對實施應(yīng)用DNQZ支座以及非減隔震支座的橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較過程中，分別對12號墩、13號墩、14號墩、15號墩重要部位橫橋向和順橋向相應(yīng)剪力與彎矩結(jié)果加以提取，相應(yīng)結(jié)果如表1、表2所示，承臺底彎矩以及剪力方面對比結(jié)果如圖2、圖3所示。

結(jié)合相關(guān)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用非減隔震支座的橋梁相比，應(yīng)用實施DNQZ支座的橋梁，其墩底在橫橋向與順橋向的彎矩都各自縮減了83%、40%，同時墩底橫橋向、順橋向相應(yīng)剪力各自縮減了70%、39%。另外，承臺底的橫橋向與順橋向彎矩各自縮減了74%、39%，且承臺底的橫橋向、順橋向相應(yīng)剪力各自縮減了60%、34%。對于橋梁橫橋向以及順橋向?qū)嵤?yīng)用DNQZ支座，承臺底以及墩底相應(yīng)剪力與彎矩都和應(yīng)用非減隔震支座的橋梁相比保持著更加均勻的分布狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，DNQZ支座在對常規(guī)球型支座實現(xiàn)了本體改進(jìn)之后，體現(xiàn)了多級設(shè)防，并且將減隔震組合相關(guān)裝置創(chuàng)新地融于支座當(dāng)中，將彈塑性鋼耗能以及球型鋼支座所具備的優(yōu)點充分結(jié)合，可使支座具有更高抗震能力。在DNQZ支座實施應(yīng)用之后，結(jié)構(gòu)自振周期顯著延長，并能明顯地降低橋墩所承受剪力以及彎矩，橋墩在橫橋向以及順橋向均保持著更均勻的地震承受能力，可在全橋范圍內(nèi)達(dá)到協(xié)同抗震目的。

參考文獻(xiàn)

[1]顧海龍，王 勇.速度鎖定型減隔震支座設(shè)計與性能分析[J].鐵道建筑，2019，59（3）：18-21，34.

[2]魏 標(biāo)，劉義偉，蔣麗忠，等.地震作用下雙曲面球型減隔震支座在鐵路簡支梁橋中的動力行為[J].土木工程學(xué)報，2019，52（6）：110-118.

[3]張常勇，徐 潤，王鑫，等.滑動摩擦效應(yīng)對大跨徑多跨連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響研究[J].公路，2018（1）：64-69.

[4]莊 嚴(yán).雙曲面球型減隔震支座在城市軌道交通橋梁中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2018，58（6）：47-52.

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：徐 容（1981— ），工程師，主要從事橋梁設(shè)計研究工作。