基于摩擦擺式減隔震支座的矮墩連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)

摘要 文章以某7度區(qū)連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用非線性時(shí)程分析方法分別對(duì)（72+120+72）m連續(xù)梁橋采用盆式支座的常規(guī)體系、采用摩擦擺支座的減隔震體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析，同時(shí)結(jié)合動(dòng)力分析結(jié)論對(duì)橋墩樁基構(gòu)造、配筋及其摩擦擺支座參數(shù)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，以保證摩擦擺支座能夠充分發(fā)揮作用，確保橋梁達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 減隔震設(shè)計(jì)；摩擦擺支座；連續(xù)梁橋；非線性時(shí)程分析

中圖分類號(hào) U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0072-03

0 引言

地震一直以來是工程建設(shè)中不可忽視的自然災(zāi)害。我國接近30%的城市[1]處于抗震設(shè)防烈度大小于7度的地區(qū)，其中橋梁結(jié)構(gòu)作為交通運(yùn)輸?shù)闹饕M成部分，其抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

橋梁減隔震體系是通過設(shè)置可以延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)自振周期的減隔震支座實(shí)現(xiàn)減震功能。近年來，減隔震支座用于連續(xù)梁橋較為普遍[2]。劉得運(yùn)[3]根據(jù)不同墩高下不同減震體系的減震效果，確認(rèn)了墩高的適用范圍；黃潤(rùn)[4]通過有限元模擬小跨徑使用減隔震支座與盆式支座的連續(xù)梁橋，發(fā)現(xiàn)采用減隔震支座的橋梁樁柱結(jié)構(gòu)能夠處于彈性范圍內(nèi)；劉峰[5]將摩擦擺支座與黏滯阻尼器配合使用在大跨度連續(xù)梁橋中，能夠達(dá)到較為理想的減震、隔震效果；殷建強(qiáng)[6]通過比較延性設(shè)計(jì)及減隔震設(shè)計(jì)的矮墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)矮墩連續(xù)梁橋設(shè)置摩擦擺減支座可以改善結(jié)構(gòu)抗震性能，但矮墩延性設(shè)計(jì)的樁基則會(huì)被破壞。

由此可知，在矮墩連續(xù)梁橋中，摩擦擺支座運(yùn)用于減隔震體系較為普遍。因此，該文以某三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)槔?，運(yùn)用非線性時(shí)程分析方法分別對(duì)采用盆式支座的常規(guī)體系、采用摩擦擺支座的減隔震體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析，并根據(jù)抗震要求對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)樁柱構(gòu)造、配筋及其摩擦擺支座參數(shù)。

1 工程背景以及計(jì)算模型

1.1 橋梁概況

連續(xù)梁橋跨徑布置為（72+120+72）m，主梁采用單箱單室截面，頂板寬度為16 m，底板寬度為8 m，翼緣板長(zhǎng)度為4 m；箱梁支點(diǎn)斷面梁高為7.5 m，跨中斷面梁高為3 m。主墩采用板墩，順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?0.5 m，主墩墩高為12.1 m。主墩兩個(gè)墩共用一個(gè)承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)12根直徑為2.2 m的鉆孔灌注樁；過渡墩采用雙柱式方墩，順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?.2 m，樁徑為1.8 m。

1.2 抗震設(shè)防水準(zhǔn)及性能目標(biāo)

根據(jù)地震安全評(píng)價(jià)性報(bào)告，橋梁建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，50年大于2.0%概率水平的基巖動(dòng)峰值加速度為0.26 m/s2。場(chǎng)地的基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15 m/s2。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]的研究成果，該橋?yàn)锽類橋梁。綜合考慮造價(jià)、耐久性和修復(fù)費(fèi)用等因素，確定對(duì)應(yīng)地震水平下結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，見表1所示：

1.3 地震動(dòng)輸入

地震波直接選用地震安全評(píng)價(jià)性報(bào)告提供的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，報(bào)告分別提供了三條對(duì)應(yīng)于E1地震作用和E2地震作用的地震波。圖1為E2水準(zhǔn)下三條水平地震波的時(shí)程曲線。

1.4 支座模擬

主橋支座平面布置如圖2所示，按照設(shè)置的盆式支座和設(shè)置摩擦擺支座分別建立全橋動(dòng)力模型。

摩擦擺支座設(shè)置抗剪銷，在抗剪銷剪斷前，摩擦擺支座不發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)的隔震橋梁結(jié)構(gòu)體系與盆式支座體系相同。在E2地震作用下，當(dāng)支座所承受的地震水平力超過抗剪銷的水平承載能力時(shí)，抗剪銷將會(huì)被剪斷，摩擦擺支座開始滑動(dòng)，從而產(chǎn)生位移。盆式支座參數(shù)如表2所示，摩擦擺支座參數(shù)如表3所示。

2 減震結(jié)果分析

采用常規(guī)盆式支座和摩擦擺支座減隔震設(shè)計(jì)相應(yīng)中墩（盆式支座設(shè)置固定支座的橋墩）的底內(nèi)力、墩頂位移及減震率分別見表4～5所示：

從表4～5可以看出，使用摩擦擺隔震支座后，E2工況下的主墩內(nèi)力及位移響應(yīng)明顯下降，減隔震效果顯著。為保證E2工況下的墩柱樁基處于彈性范圍內(nèi)，橋梁抗震采用減隔震體系。

3 主要構(gòu)件驗(yàn)算

3.1 墩柱和樁基驗(yàn)算

該文分別給出了E1和E2地震作用下相關(guān)控制截面的計(jì)算結(jié)果，以校驗(yàn)橋梁的兩階段抗震性能是否能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。E1、E2地震作用下橋墩抗彎能力的驗(yàn)算結(jié)果分別見表6～9所示，此時(shí)主墩及過渡墩的墩身配筋率分別為0.91%及1.83%。

根據(jù)表6～9計(jì)算結(jié)果，E1、E2地震作用下橋墩抗彎能力均滿足要求。為不重復(fù)篇幅，將E1、E1、E2地震作用下的樁基抗彎能力結(jié)果列于圖3中。此時(shí)主墩以及過渡墩的樁基配筋率分別為1.35%以及1.39%。由圖3可知，E1、E2地震作用下的樁基抗彎需求比最小為1.2，樁基均處于彈性范圍內(nèi)，主墩樁基在E1地震橫橋向的能力需求比最小。

依據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)構(gòu)件均處于彈性范圍時(shí)，可按照橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[8]進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。鑒于E1、E2地震作用下的橋墩樁基都處于彈性，因此只需將E2作用下的橋墩的抗剪驗(yàn)算結(jié)果列于表10，主墩以及過渡墩的抗剪需求比均大于3，滿足抗剪能力。

3.2 位移驗(yàn)算

地震位移主要包括支座自身位移和主梁梁端位移，地震作用下的支座位移需滿足支座位移量，而主梁梁端位移需滿足伸縮縫伸縮量要求。各墩上橫橋向、順橋向的支座位移及梁端位移見表11所示。計(jì)算結(jié)果表明，支座順橋向位移峰值是29.7 cm，支座橫橋向位移峰值24.8 cm，所選隔震支座設(shè)計(jì)的地震位移滿足需求。同時(shí)，由于支座位移較大，應(yīng)注意防落梁措施，橫橋向需保證有足夠的空隙設(shè)置擋塊。

主梁過渡墩的梁端位移最大為30.5 cm，因此采用D320伸縮縫，其伸縮量能滿足要求。

4 結(jié)論

該文對(duì)隔震體系橋梁進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用摩擦擺支座的減隔震裝置后，改變了常規(guī)抗震設(shè)計(jì)中僅由固定墩抗震的不利狀態(tài)，固定墩內(nèi)力及變形響應(yīng)下降非常明顯，減震率達(dá)到40%以上。

（2）在高烈度地震區(qū)，地震荷載往往是橋梁設(shè)計(jì)的控制性荷載。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)要求，合理設(shè)計(jì)下部結(jié)構(gòu)尺寸及配筋量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證橋梁結(jié)構(gòu)均處于彈性范圍內(nèi)。

（3）E2地震作用下的摩擦擺支座位移需求較大，連續(xù)梁橋需要驗(yàn)算支座的位移需求及梁端位移。

參考文獻(xiàn)

[1]丁潔民，吳宏磊，王世玉，等.減隔震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021（17）：25-33.

[2]王昊，梁志磊.大跨度矮墩連續(xù)梁橋抗震分析研究[J].交通世界，2021（15）：23-24+45.

[3]劉得運(yùn)，沈大為，賈維君，等.墩高對(duì)高烈度區(qū)連續(xù)梁橋抗震體系的影響[J].公路，2023（3）：170-175.

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[5]劉峰，陶詩君，王振海.基于摩擦擺支座的連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計(jì)方法[J].公路，2015（6）：111-116.

[6]殷建強(qiáng)，周躍，洪亮，等.基于能力需求比法的矮墩大跨度PC連續(xù)梁橋延性和減隔震設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)[J].中外公路，2021（5）：181-186.

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[8]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.