拉索减震支座在人行天桥中的应用

2014-01-08余伟娜于训涛

城市道桥与防洪 2014年7期

余伟娜，林玉，于训涛

（1.浙江省湖州市交通工程处，浙江湖州330500；2.浙江省乐清市路桥工程有限公司，浙江乐清 325600；3.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近几十年来，减隔震技术作为提高结构抗震性能的一种技术得到了广泛发展和应用。减隔震技术通过采用减隔震装置来尽量将结构或构件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，大大减少传递到上部结构的地震力和能量[1]。

桥梁减隔震设计中最重要的是减隔震装置的合理设计，目前应用最为广泛的减隔震装置是减隔震支座。一个合适的减隔震支座应能支承结构，延长周期和增加阻尼。在选择一个隔震系统时，还应从正常使用条件出发，仔细考虑隔震装置其它的一些参数，如：恒载下的承载能力、变形能力、变形后的自复位能力，以及环保和经济性等。常用的减隔震支座有分层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座和拉索减震支座等。

由于铅芯橡胶支座生产使用过程中对环境产生污染；摩擦型支座价格较高，一般用于大跨度桥梁中，在中小跨径桥梁中应用较少；拉索支座成功克服了传统支座限位能力不强的弱点，能最大程度避免地震中落梁等现象的发生，并在地震后可复位。此外，拉索减震支座制造技术成熟，相较于同类型产品造价也相对较低。综合对比环保因素和经济因素，考虑到本工程自身特点，最终选用的是拉索减震支座。

减隔震支座对比见表1。

本文针对某人行天桥，考虑顺桥向和横桥向地震动输入，并采用非线性时程分析方法计算地震响应，分析拉索减震支座在人行天桥中应用的减隔震效果，对拉索支座参数进行了优化，得出相应的结论。

表1 减隔震支座对比表

1 拉索减震支座简介

拉索减震支座是近些年新兴的一种摩擦型减隔震支座（见图1），将普通支座与拉索装置限位性能有机结合起来。当正常使用状态时候，拉索不发挥限位功能，支座就是一般的球钢支座；在地震下，支座滑动到一定范围时候，拉索开始提供额外约束，限制上部梁体与下部桥墩之间的相对位移，避免发生落梁[2-4]。

图1 拉索减震支座

拉索减震支座试验的滞回曲线见图2。有限元模型中拉索支座恢复力模型见图3，图中K1为非线性分析工况的屈服前刚度，K2为非线性分析工况拉索水平刚度，D为拉索减震支座的自由程。当支座移位不超过自由程位移时，拉索不发挥限位功能，恢复力模式应与盆式橡胶支座恢复力模式一致；当支座移位超过自由程位移后，拉索提供额外约束，此时恢复力曲线的斜率为拉索的约束刚度。

图2 拉索减震支座滞回曲线

图3 有限元模型中拉索支座恢复力模型

2 算例分析

本章以某人行天桥为背景，对上述减隔震装置的应用及其减震效果进行了分析。人行天桥主桥采用两跨连续梁两端带悬臂结构，跨径布置为5 m+34 m+20 m+5 m=64 m；主梁采用钢箱梁，宽度为7 m，梁高1.4 m。桥墩采用墙式实体墩，基础采用φ800 mm钻孔灌注桩。梯道桥采用三跨连续结构，结构形式为钢板梁,采用φ800 mm桩+φ600 mm柱的基础形式。主梁材料为Q345C，桥墩材料为C35混凝土，桩基础采用C30混凝土。

结构分析采用有限元软件Midas Civil，计算模型中主梁、桥墩、承台、梯道桥、立柱均离散为空间梁单元，支座采用非线性连接单元模拟。边界条件考虑梯道桥对于主桥的影响，桩土相互作用采用承台底6×6刚度矩阵模拟。计算模型见图4，主桥桥墩从左至右编号为P1、P2、P3。

该桥位于地震烈度Ⅶ度区，抗震设防标准为丙类，特征周期0.65 s，最大地震峰值加速度为0.1 g。通过拟合得到三条人工地震波，经过验证三条人工波时程相关系数的绝对值均小于0.1，和目标反应谱吻合较好。最终采用这三条人工波进行地震响应计算，计算结果取三条波计算结果的包络值。

图4 三维模型图

3 拉索支座参数分析

常规设计下，纵桥向主桥P2墩为固定墩，两个边墩为活动墩；横桥向所有墩均为固定墩。由于所处场地的地震动峰值加速度较大，固定墩的地震响应较大，往往需要增加截面和配筋以提高构件的抵抗地震的能力，较不经济，故应考虑采用减隔震设计。模拟减隔震方案初步定为：P1～P3墩均布置拉索减震支座，顺桥向和横桥向初始自由行程均为0.30 m，在Midas Civil软件中，拉索减震支座采用滞回单元+勾单元+间隙单元组合模拟。拉索支座参数见表2。

表2 减隔震支座参数

为了了解拉索支座对结构的减隔震效果，本文首先比较了常规设计下和采用拉索支座后的结构地震响应，见表3。

表3 常规设计与减隔震设计地震响应对比

从表3可以看出，顺桥向地震动输入时，常规设计中P2为固定墩，桥墩的剪力和弯矩均明显大于其余墩；而采用减隔震设计后，三个墩共同承担地震力，三个墩的墩底剪力和弯矩相近，原固定墩P2墩的地震响应明显减小。横桥向地震动输入时，常规设计中三个桥墩横向均全固定，地震响应在三个墩基本呈现均匀分配；采用减隔震方案设计后，由于支座摩擦延长了结构的横向周期，故三个桥墩的地震响应分配没有变化，但是数值大幅度减小。

图5为减隔震设计拉索支座的支座滞回曲线，可以看出与拉索支座恢复力模型吻合，证明了程序中支座的模拟准确性。

图5 拉索支座滞回曲线图

为了得到更优化的支座参数，本文拟定了以下五个减隔震方案，P1～P3墩均布置拉索减震支座，顺桥向和横桥向初始自由行程相同，五个方案的自由程取值从0.20～0.50 m。拉索减震支座参数见表4。

表4 减隔震方案参数表

从图6～图7可以看出，随着拉索自由程的增大，纵向墩底弯矩降低幅度不大；横向墩底弯矩近似成线性下降。利用反应谱曲线可以解释这一点：自由程越大，支座的滑动范围也就越大，支座耗能也就越多，越能够延长结构的周期。本桥的纵向振动的周期离反应谱曲线平台段较远，故延长周期后地震响应的减小不是很大；而横向振动的周期靠近反应谱曲线平台段，所以延长周期后，可以看到地震响应下降明显。