双曲面球型减隔震支座在大跨径梁桥中的应用

梁浩杰（佛山市新城开发建设有限公司，广东 佛山 528000）

双曲面球型减隔震支座在大跨径梁桥中的应用

梁浩杰
（佛山市新城开发建设有限公司，广东 佛山 528000）

摘要：本文阐述了双曲面球型减隔震支座的关键结构要求、工作原理、力学特性及其结构原理，为了减小地震引起桥梁结构的破坏和提高桥梁结构的抗震性能，采用双曲面球型减隔震支座作为本工程的支座类型。本文结合佛山新城区某168m主跨连续箱梁桥的工程实例，主墩采用4个80000kN级GD减隔震球型支座，4个80000kN级DX减隔震球型支座。证明双曲面球型减隔震支座非常适合于大跨径桥梁的抗震设计，并在大跨径桥梁中广泛应用。

关键词：双曲面球型减隔震支座；连续箱梁；大跨径

1　工程概况

佛山新城区某水道特大桥全长1036m，基中主桥上部结构采用（109+168+109）m跨PC连续箱梁， 单箱单室箱型断面。顶板宽19.3m，底板宽9.7m（加设腹板下缘后全宽10.1m），两侧翼缘板悬臂长4.8m。箱梁梁高变化采用2次抛物线，根部梁高H根=10.5m，跨中及边跨端部梁高H中=4.0m，H根/L=1/16，H中/ L=1/42。主墩下部结构采用左右分幅薄壁箱型空心墩，墩身于横桥向两侧设为椭圆形。承台采用左右分幅式承台，并设0.5m厚的承台封底混凝土。基础采用群桩，单幅主墩由9根直径2.5m的钻孔灌注桩组成。由于该项目位于新城区中心城区，除了注重安全、经济、适用，适当兼顾美观，并与周边规划环境协调。该处水道分南北两个航道，其中南航道槽较深，航迹线偏于南侧，较为顺直，为其主要航道，桥轴线法线方向与水流主流向的交角为6°。

图1　固定双曲面球型减隔震支座结构示意图

近几十年来我国几次大地震的发生，以及因此造成的巨大的经济损失和人员伤亡已引起社会以及工程设计人员、科研人员的注意和高度重视。桥梁工程作为生命线工程中的一部分，在地震中损害所造成的直接经济损失、以及随后中断交通所引起的间接经济损失都是十分巨大的。因此，减隔震设计方法是一种比较新的桥梁抗震设计方法，其在桥梁抗震中的应用在最近二三十年的时间里得到了广泛的发展。减隔震技术在桥梁结构中的应用往往是通过减隔震支座来实现的。

2　双曲面球型减隔震支座的关键结构要求

①摩擦副——滑板分片镶嵌结构

考虑到对于大吨位双曲面球型减隔震支座，摩擦副采用大块滑板镶嵌结构时，因滑板镶嵌坑约束力不足，而滑板与钢件的粘结耐久性不足，只能作为临时固定使用，长久使用滑板易从镶坑中蠕变挤出。并且大板板材力学性能不易稳定，因此本项目不得使用大块滑板镶嵌结构。

本项目研发的支座拟采用分片镶嵌技术对填充聚四氟乙烯复合夹层滑板进行局部约束，以进一步提高滑板的许用压应力和支座的承载力，而且标准滑片力学性能稳定。

②摩擦副——球面包覆不锈钢结构

为保证双曲面球型减隔震支座摩擦副寿命长久，与四氟滑板偶对的上座板凹球面和中座板下凸球面，不得使用电镀硬铬做为钢件表面处理方案，要求必须采用球面包覆不锈钢滑板结构，即在双曲面球型减隔震支座的上座板的凹球面上及中座板下凸球面上贴覆一层不锈钢滑板。其优点是避免了采用电镀硬铬带来的支座钢件保护不足发生腐蚀问题，同时也避免电镀操作对环境造成污染。同时，两个球面摩擦副采用同样的不锈钢+四氟滑板偶对材料，保证了支座摩擦副的滑移性能和支座的减隔震性能的稳定性，也使整个支座的使用寿命大大延长。

③支座的安全设计要求

为了保证支座设计的安全性和可靠性，确保大桥的正常运行，在支座的结构设计上须要按照本技术要求规定的结构形式进行设计，不得为节省成本而擅自更改支座内部结构。根据计算，80000kN支座理论重量约为45t，10000kN支座理论重量约为5t，支座的实际重量跟理论重量的误差不得超过-5%。

3　双曲面球型减隔震支座的工作原理及其结构原理

双曲面球型减震支座将普通球型滑动支座的平滑动面改为大半径球面，结构上包括一个具有滑动凹球面的上支座板、一个具有双凸球面的中支座板和一个具有转动凹球面的下支座板，滑动球面和转动球面的摩擦副都是由不锈钢板和聚四氟乙烯板组成的。双曲面球型减隔震支座的作用机理比较简单，桥面支承在可滑动的上支座板上，在常用荷载作用下，由于限位螺栓的作用，不允许有相对滑动，相当于固定支座（如图1所示）；当地震发生且水平纵向超过预定值时，纵向限位装置的抗剪销和安全螺钉被剪断，支座的纵向限位约束被解除，大半径球面摩擦副纵桥向进行自由滑动，通过摩擦阻力逐渐消耗地震能量。同时，延长了结构自振周期，达到减震的效果；而地震过后，结构自重又可形成回复力，使支座复位。支座的滑动将使桥梁结构的基本周期延长，达到隔震的目的；滑动球面间的摩擦作用实现了耗能，从而达到减震的目的。

对于固定支座对于单向双曲面球型减隔震支座（如图1所示），在正常运行和地震两种工况下，支座纵桥向均可自由滑移，同固定支座纵向限位约束解除后工作原理一致。

4　双曲面球型减隔震支座检测工作的重要性及检测参数

目前，该类型支座的国家标准尚未完善，而由于支座受力复杂性，使用前必须进行检测、试验合格后方能使用。本项目根据项目的实际情况，结合设计相关要求，与曾有相关检测经验的上海同济建设工程质量检测站进行研究，本项目支座产品的试验检测项目部分参考GB/T17955-2009《桥梁球型支座》标准，部分根据支座特性综合制定而成。检测内容主要有如下四个方面：

①支座竖向压缩变形：支座在设计载荷作用下，支座的竖向压缩变形应小于支座总高的1%。

②支座滑移摩擦系数：支座在曲后滑移过程中，滑移摩擦系数在0.02~0.03之间。

③支座屈后滑移刚度：支座在曲后滑移过程中滞回曲线的斜率为屈后滑移刚度。

④支座自回复能力：检测支座在最大设计位移处是否具备有向中心位置回复的能力。

5　双曲面球型减隔震支座在大跨径梁桥的抗震优越性及广泛应用

近年来，我国交通建设事业的发展取得了巨大的成就，大跨径连续梁桥、连续刚构因其受力简单合理、整体性好、耐久性好、行车舒适、造价经济等优点，在公路桥梁建设中得到了广泛的应用。但是我国是一个强震多发的国家，地震烈度等于或大于7度的地区占国土总面积的1/3，突发的强烈地震会使建设成果毁于一旦，这就要求我们必须重视桥梁设计的抗震减灾工作。

大跨径连续刚构由于采用墩梁固结的结构形式，顺桥向、横桥向整体刚度大，地震作用时上下部结构产生地震力主要通过下部结构“硬抗”，因此下部结构必须具有较高的强度，故造成了桥梁造价的大幅增加，因此，大跨径连续梁桥目前有几种常用的抗震措施。通常采用的是在少数几个桥墩的上方布置抗震支座，其余桥墩上布置滑动支座的方法。在顺桥向地震作用下，布置滑动支座的桥墩几乎不承受上部地震力，全联上部主梁的地震力几乎全部由固定支座墩承受；若固定支座被剪坏，桥梁顺桥向失去约束，极易造成落梁；若固定支座桥墩被剪坏，则会产生全联倒塌的严重破坏，设置减隔震支座来改善结构的抗震性能。这些支座具有高阻尼、高耗能、低刚度、大变形、耐腐蚀等特性，能够保证正常的支承竖向荷载、温度变形、收缩徐变变形的要求，在地震作用下，可以耗散地震能量，减小上部结构的惯性力，从而保护主体结构不出现损伤。由于支座是附属结构，更换方便，因此减隔震设计是最为经济、有效的抗震设计方法。

国内外桥梁上使用的减隔震支座主要包括高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、双曲面球型减隔震支座。双曲面球型减隔震支座与其它两种支座相比，具有承载力大、构造简单、耐久性好，并能提供可靠回复力的优点，因而成为结构减隔震设计的首选。

结语

双曲面球型减隔震支座具有可以提供帮助上部结构回到初始位置的回复力，有效延长减隔震结构的自振周期，并且可以提供稳定可靠的阻尼耗能。因此，该支座具有理想的减隔震能力，完全能够满足桥梁抗震设计的要求。本文通过对双曲面球型减隔震支座的关键结构要求、工作原理、力学特性及其结构原理的描述，以及比较了刚构体系和采用双曲右球型减隔震支座的连续箱梁体系的抗震结果，证明了使用双曲面球减隔震支座的优越性，因此证明了双曲面球型减隔震支座在大跨径连续梁桥中作为一种新型的减隔震技术得以广泛应用。

参考文献

[1]范立础，王志强．桥梁减隔震设计[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[2]范立础．大跨度桥梁抗震设计[M]．北京，人民交通出版社，2001．

[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，2007，35（02）．

中图分类号：U44

文献标识码：A