双曲面球型减隔震支座在临河黄河特大桥上的应用

原学明, 凡明杰, 陶泉霖, 刘红杰

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)



双曲面球型减隔震支座在临河黄河特大桥上的应用

原学明, 凡明杰, 陶泉霖, 刘红杰

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

摘要：超长联大跨连续梁桥体型庞大、头重脚轻,在地震工况下,下部结构的强度要求和变形较大.传统的结构抗震设计方法是增大桥墩和基础的截面尺寸以及配筋量,不仅会增加下部结构造价,还会给施工带来一定的困难.结合临河黄河特大桥的抗震设计,研究双曲面球型摩擦摆隔震支座在桥梁抗震设计中的应用,并采用有限元计算程序SAP2000对该桥进行了抗震效果模拟.结果表明,采用双曲面球型减隔震支座与常规方案相比,可显著降低墩底内力,有效地解决了下部结构截面设计难以满足受力的技术难题,经济技术优势显著.

关键词：超长联大跨连续梁桥;抗震设计;双曲面球型摩擦摆隔震支座;抗震效果

常规连续梁桥抗震设计,顺桥向仅靠固定支座墩抗震,具体方法是通过增大固定支座桥墩和基础的截面尺寸以及配筋量来满足抗震设计的需要.然而,对于超长联大跨连续梁桥,如果采用这种抗震措施,固定墩将承受整联的地震力,联长越长,地震力越大,对桥墩的截面尺寸以及配筋量要求越高.在高震区,这种抗震设计方法不仅会大大增加下部结构的造价,而且在某些情况下增大的固定墩截面及其基础仍无法抵抗大震工况下的地震力.

双曲面球形减隔震支座是近年来基于减隔震技术研发的一种新型抗震支座,亦是高地震区大跨径连续梁桥抗震设计中采用的经济技术较为显著的抗震措施[1].这种支座具有高阻尼、低刚度、大变形、耐损伤、耐腐蚀的特性,能够保证日常的抗风、抵抗制动力、支承竖向荷载等要求.在地震作用下,减隔震支座可以有效地降低上部结构的惯性力,并以各种方式耗散地震能量,从而在不增加桥墩和基础截面以及配筋量的同时，有效地保护结构主体不出现或只出现轻微的损伤.另外,这些支座的安装和拆除都非常方便,震后只需对结构适当修补并更换减隔震支座即可恢复桥梁的正常使用功能.

1双曲面球型摩擦摆隔震支座构造

双曲面球型摩擦摆隔震支座是通过对技术上非常成熟的球型滑动支座进行改造而开发的[2].该支座将普通球型滑动支座的水平滑动面改为球面,由一个带有滑动球面的上支座板、一个具有双球面的中支座板、一个带有转动球面的下支座板和一个环形套箍组成,如图1所示.

图1　双曲面球型摩擦摆隔震支座构造示意图

这种支座将普通球型滑动支座的平面摩擦副改造为大半径的球面摩擦副,使大球面摩擦副在发生滑动的过程中,不仅因摩擦阻力而耗散地震能量,而且发生动能与势能的转换,控制支座位移.双曲面球型摩擦摆隔震支座具备3个基本功能:①正常使用功能,即正常使用条件下的竖向和水平刚度可以保障桥梁的日常工作;②周期延长功能,即在地震作用下可通过延长结构的基本周期,避开地震能量集中的频率范围,从而减小结构的地震响应;③能量耗散减隔震功能[3].

双曲面球型摩擦摆隔震支座通过结构自重沿滑动曲面的切向分力提供回复力,帮助上部结构回到初始位置.支座的滞回曲线的基本形状如图2所示[4].

图2　双曲面球型摩擦摆隔震支座的滞回曲线

2双曲面球型支座在临河黄河特大桥上的应用

临河黄河大桥位于内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区与鄂尔多斯市杭锦旗交界处的黄河河段上,工程地处北方严寒地区,场地地震基本烈度为7度,相应的地震动峰值加速度为0.165g.由于桥址所处的临河段为游荡性河段,黄河主流摆动剧烈,主河槽断面基本在750 m左右,变化范围为400 m左右.根据黄河水利委员会《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准(试行)》的相关要求,该河段主河槽孔跨不得小于100 m,因此临河黄河公路大桥主桥为(59.7 m+11×100 m+59.7 m)的预应力混凝土连续箱梁桥,一联长达1 219.4 m,为典型的超长联大跨连续梁桥.设计荷载为公路-Ⅰ级,结构抗震性能是该桥设计研究的核心.如按常规连续梁桥设计,仅在62#墩设固定支座,固定墩和其基础将承受很大的地震力,且难以满足抗震性能要求.为此,在内蒙古临河黄河公路大桥主桥的抗震设计中采用双曲面球型减隔震支座.主桥支座具体布置情况见表1.表中:支座符号GD,HX,ZX,DX分别表示固定支座、横向活动支座、纵向活动支座及多向活动支座;支座KZQZ25000GD,KZQZ25000HX,KZQZ25000ZX,KZQ

Z25000DX在纵向及横向上均具备减隔震功能,为双曲面球型减隔震支座;其他类型的支座仅在横向具备减隔震功能,为单曲面减隔震支座;支座型号的后缀为允许位移量，单位为cm.

表1　临河黄河大桥双曲面球型支座布置

3双曲面球型支座抗震效果模拟

3.1　模型建立

采用有限元计算程序SAP2000对内蒙古临河黄河大桥结构进行动力反应分析,研究采用双曲面球型减隔震支座的减震效果,建立的有限元模型如图3所示.总体坐标系以顺桥向为x轴,横桥向为y轴,竖向为z轴;各单元局部坐标系以单元轴向为1轴(从I节点指向J节点),3轴保持水平且垂直于1轴,2轴按右手螺旋准则确定.模型利用空间梁单元模拟主梁、墩柱,考虑恒载作用对结构刚度的影响(P-Δ效应);各墩桩基均采用6×6耦合弹簧模拟.在进行动力特性及动力反应分析计算时,墩-梁连接关系以及设计的6种工况见表2.

表2　墩梁连接关系

表2中:Δx为顺桥向约束,Δy为横桥向约束,Δz为竖向约束；θx为绕单元坐标系x轴方向的扭转约束，θy为绕单元坐标系y轴方向的弯曲约束,θz为绕单元坐标系z轴方向的弯曲约束;“0”表示无主从约束,“1”表示主从约束,“2”表示摩擦支座,“3” 表示双曲面球型支座.

图3　结构有限元计算模型

3.2　地震动输入

根据《内蒙古临河黄河公路大桥工程场地地震安全性评价报告》,抗震分析中取50年63%和50年2%超越概率下的加速度反应谱和人工拟合加速度时程作为地震荷载.地震作用加速度反应谱如图4和图5所示,人工拟合加速度时程如图6和图7所示.其中,E1为工程场地重现期较短的地震作用,对应50年63%超越概率地震;E2为工程场地重现期较长的地震作用,对应50年2%超越概率地震.

图4　水平向加速度反应谱

图5　竖向加速度反应谱

图6　50年63%水平向人工拟合加速度时程曲线

图7　50年2%水平向人工拟合加速度时程曲线

3.3　模拟结果分析

3.3.1纵向+竖向组合下地震响应

采用不同方法,对结构在不同工况下的地震反应进行了分析比较,对E1超越概率地震作用下的计算结果均乘以1.3的系数.反应谱分析,取前400阶振型,按CQC(Complete Quadratic Combination)方法进行组合.时程分析地震采用纵向+竖向输入方式,方向组合采用SRSS(Square Root of the Sum of the Squares)方法.工况1—3下各桥墩墩底弯矩计算结果见表3.

表3　桥墩控制截面弯矩最大值(纵向+竖向输入)　kN·m

由表3可知:工况1和工况2的计算结果相近,其中固定墩62#墩,墩底弯矩在E2地震作用时,工况2下达到了(5.668E+05)kN·m,远远大于其他非固定墩；当采用双曲面球型减隔震支座(工况3)时,在E2地震作用下，固定墩62#墩的墩底弯矩为(7.017E+04)kN·m,跟其他非固定墩相当.墩底弯矩较工况1和工况2大幅降低,有效地减少了墩底截面尺寸和配筋.

3.3.2横向+竖向组合下地震响应

工况4—6下,各桥墩墩底弯矩计算结果见表4.

表4　桥墩控制截面弯矩最大值(横向+竖向输入)　kN·m

由表4可知：工况4和工况5的情况下计算结果相近,其中各墩墩底弯矩相差不大；在E2地震作用下,工况4下最大墩底弯矩为(2.473E+05)kN·m;当采用双曲面球型减隔震支座(工况6)时,墩底弯矩大幅减小,过渡墩最大墩底弯矩为(9.429E+04)kN·m,墩底弯矩较工况4和工况5大幅降低,有效地减少了墩底截面尺寸和配筋.

4结语

1)临河黄河公路大桥主桥顺桥向在62#固定墩与相邻的61#墩、63#墩同时采用双曲面球型减隔震支座,横桥向全部采用球型减隔震支座,这使得整个主桥上部结构自振周期延长,达到了减隔震效果.

2)采用双曲面球型减隔震支座的方案相比常规方案,能够显著降低墩底内力,有效解决了下部结构截面设计难以满足受力的技术难题,经济技术优势显著,这种方案可作为超长联大跨连续梁桥抗震设计的参考与借鉴.

参考文献

[1]重庆交通科研设计院.JTG/T B02-01—2008 公路桥梁抗震设计细则[S].北京:人民交通出版社,2008.

[2]同济大学土木工程防灾国家重点实验室.内蒙古临河黄河公路大桥抗震性能研究报告[R].上海:同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2009.

[3]彭天波,李建中,范立础.双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(2):170-180.

[4]钟勇.华阳特大桥主桥双曲面球型减隔震支座的抗震设计[J]．公路,2012(12):28-32.

(责任编辑：乔翠平)

[5]中交公路规划设计院.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

Application of Double Spherical Anti-seismic Bearing in Linhe Yellow River Bridge YUAN Xueming, FAN Mingjie, TAO Quanlin, LIU Hongjie

(Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Abstract:A continuous girder bridge with super-long unit and large span is large-size and top-heavy, under the condition of earthquake, the strength requirement and deformation of substructure are bigger. The traditional measures of structure anti-seismic design are to increase the quantity of reinforcements as well as the size of piers and foundation sections, which will increase the cost of substructure and bring some difficulties to the construction. Combining with the anti-seismic design of Linhe Yellow River Bridge, the application of double spherical anti-seismic bearing to the anti-seismic design of bridges was researched, and the anti-seismic effect was simulated with the finite element program SAP2000. The results show that comparing with the traditional scheme, the scheme of double spherical anti-seismic bearing can obviously decrease the internal force of piers′ bottom, and can effectively resolve the technical problem that the sectional design is difficult to meet the requirement of force.

Keywords:continuous girder bridge with super-long unit and large span; anti-seismic design; double spherical anti-seismic bearing; anti-seismic effect

中图分类号：U442.5+5

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)02-0030-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.007

作者简介：原学明(1981—),男,河南焦作人,工程师,主要从事桥梁设计方面的研究.

收稿日期:2015-02-03