采用摩擦摆减隔震支座系杆拱桥抗震性能分析

2015-11-05王江波

城市道桥与防洪 2015年2期

关键词：系杆拱桥支座

王江波

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市300142）

采用摩擦摆减隔震支座系杆拱桥抗震性能分析

王江波

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市300142）

随着系杆拱桥的大量建设，研究其在地震高烈度区的抗震性能具有重要的工程应用价值。现以工程实际中一座跨度105 m的系杆拱桥为背景，通过非线性时程分析方法，计算分析了其在强震作用下采用摩擦摆减隔震支座后的减隔震效果。分析研究表明，在强震作用下，系杆拱桥采用摩擦摆减隔震支座后，可有效地降低系杆拱桥纵桥向固定墩的地震响应和横桥向各墩的地震响应，有效地防止强震作用下结构的破坏，为结构优化带来较大空间。

摩擦摆减隔震支座；系杆拱桥；抗震性能

1　概述

地震是威胁人类生命财产安全最严重的自然灾害之一，具有突发性和毁灭性。我国处于世界上两大地震带（环太平洋地震带和欧亚地震带）之间，因此地震活动多而且剧烈。近几十年来，全世界发生过多次破坏力巨大的地震，例如1994年美国Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年中国台湾Chi-Chi地震、1999年土耳其Izmit地震、中国2008年汶川地震和2010年青海玉树地震等。这几次大地震都造成了巨大的生命财产损失，造成结构的严重破坏和倒塌。汶川地震与青海玉树地震的接连发生表明中国很可能又进入了一个新的地震活跃期。

伴随着我国国民经济的快速发展，我国大跨度桥梁的建设也取得了飞速的进步，各地针对自己的地域特点，建造了各种类型的大跨度桥梁，有些造型优美的桥梁甚至成为城市的地标性建筑，其中系杆拱桥以其优美的造型、良好的受力体系备受青睐。伴随着系杆拱桥的大量建设，其在地震中的安全性需要进行深入研究，加之我国地震带分布广泛，很多重要城市位于或靠近地震带，因此，研究地震作用下系杆拱桥抗震性能具有重要的工程应用价值。

本文以工程实际中一座跨度105 m的采用摩擦摆减隔震支座的系杆拱桥为背景，进行了其在强震非线性时程情况下的抗震性能分析，显示出摩擦摆减隔震支座在系杆拱桥抗震中应用的有效性，为后续的类似工程提供设计参考。

2　摩擦摆减隔震技术的机理

减隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段，摩擦摆减隔震支座由于其稳定的减隔震性能，成为最常用的减震支座之一。

摩擦摆隔震装置在1985年由美国的Zayas等人提出，同年摩擦摆支座（FPB）由美国EPS公司发明。摩擦摆减隔震支座隔震消能原理是利用滑动面的设计延长结构的振动周期，以大幅度减少结构因地震作用而引起的放大效应，通过支座的滑动面与滑块之间的摩擦来达到消耗地震能量（见图1）。此外，其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能，可以有效地限制支座的位移，使其震后恢复原位。摩擦摆减隔震支座造价低、施工简单、承载能力高，除有一般平面滑动隔震系统的特点外，还具有良好的稳定性、复位功能和抗平扭能力。摩擦摆支座主要包括用限滑动螺栓、不锈钢材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑块，以及用来与上部结构相连的盖板，其构造示意如图2所示。摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动，隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制，阻尼由动摩擦系数来控制。限滑动螺栓剪断前，摩擦摆隔震支座不发生滑动，在其支撑下的减隔震桥梁结构与普通桥梁结构相同；当地震将限滑动螺栓剪断后时，摩擦摆隔震支座发生位移。地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成图3所示的双线性滞回模型。

图1　单摆工作原理示意图

图2 摩擦摆减隔震支座构造图

图3　摩擦摆支座的滞回模型

图中，μ为摩擦系数；W为竖向荷载；Ki为初始刚度，Ki= μW/ Dy；Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度，Kfps= W/ R；R为曲率半径，按公式（1）计算；Dy为屈服位移；Dd为极限位移。

式中，T为摩擦摆系统的隔震周期。

3　工程概况

某桥位于北方某海滨城市新区，是一座集交通与景观功能于一身的城市标志性桥梁，主桥结构为跨度105 m的下承式系杆拱桥，采用主辅拱，柔性吊杆；两侧引桥为4×27 m的预应力混凝土连续梁。桥梁全长4×27 m+105 m+4×27 m=321 m，该桥属于城市主干路，设计安全等级为一级，设计基准期为100 a。

主桥桥墩为变截面墩，墩高8 m，承台为矩形，桩基直径为1.2 m。主梁采用纵横梁体系，横梁梁高为2.0 m，端横梁为箱型截面，中间横梁均为工字型截面，横梁间距为5.0 m。主纵梁梁高为2.0 m，采用工字型截面，与内侧拱肋对应设置。横桥向两片主纵梁间设置4道小纵梁，小纵梁梁高为1.0 m，采用工字型截面。主桥桥面布置为双向6车道，主桥由于拱肋和观光平台的设置，桥面宽度端部41 m，跨中增加到57 m，机动车道和非机动车道间镂空。主梁桥面板采用C50混凝土，主墩4#、5#采用C45混凝土，承台及桩基采用C35混凝土。全桥立面布置见图4所示，支座布置见图5所示。

图4　系杆拱桥全桥立面图

图5　系杆拱桥支座平面布置图

4 抗震性能分析

4.1地震动输入

根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）和该桥的重要性，确定主桥的抗震设防标准和抗震设计方法：丙类桥梁，采用50 a超越概率63%乘以1.3的系数（E1地震作用）和50 a超越概率2%（E2地震作用）两种地震动水平进行抗震设防。根据提供的岩土报告可知：桥址设计基本地震加速度为0.2 g，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，系杆拱桥主桥抗震设计采用的两水准（E1、E2）阻尼比为5%的设计反应谱如图6所示。

图6　E1、E2水平加速度反应谱图示

为了考虑E2强震作用下活动支座滑动摩擦效应和摩擦摆减隔震支座剪力销剪断后发挥减隔震支座性能，在E2地震作用下采用非线性时程分析方法进行系杆拱桥减隔震抗震分析。

根据普湾新区三号桥主桥E2超越概率水平加速度反应谱曲线（5%阻尼比）生成E2下3条加速度时程曲线，并且将生成的加速度时程波转换为反应谱，分别与设计标准反应谱进行比较，以检验地震加速度时程的拟合质量，生成的人工地震时程波的反应谱与设计标准反应谱拟合得很好，可以为E2非线性时程分析提供可靠的地震动输入。三条人工地震波如图7所示，其拟合效果如图8所示。

图7　E2水平向三条地震波图示

为了明显看出系杆拱桥采用摩擦摆减隔震支座后的抗震性能改善，本文只计算E2地震作用非线性时程分析的工况，即摩擦摆减隔震支座剪力销剪断后发挥减隔震支座性能的工况。摩擦摆减隔震支座在E1地震作用下剪力销不剪断，其和常规支座相同，满足桥梁的正常使用需求，故本文不计算这一工况。

4.2建模方法

该大桥采用midas civil有限元计算分析程序，根据桥梁结构的总体构造布置，建立了结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型（见图9）。其中，主梁、横梁和桥墩用梁单元模拟；桩基础采用等效的土弹簧单元模拟土-桩基础的相互作用；考虑地震作用下活动支座滑动摩擦效应和摩擦摆减隔震支座的非线性；为了考虑边界条件的影响，将引桥建入模型。

图9　主桥有限元分析模型

4.3摩擦摆减隔震有效性分析

为了对比突出摩擦摆减隔震支座的减隔震效果，对比分析了减隔震前后动力特性的改变、墩底弯矩和剪力的变化、支座传递剪力和支座位移的变化，具体结果见表1～表4所列。为了证实出摩擦摆减隔震支座的工作机理和滞回模型，其在地震波下的滞回曲线见图10和图11所示。减震率=（1-摩擦摆减隔震支座响应值/非减隔震常规支座响应值）%。

表1　减隔震前后动力特性比较表

表2　纵桥向减隔震前后墩底弯矩和剪力一览表

表3　横桥向减隔震前后墩底弯矩和剪力一览表

表4　减隔震前后支座位移一览表（单位：m）

图10　顺桥向摩擦摆减震支座滞回曲线图

图11　横桥向摩擦摆减震支座滞回曲线图

由表1可知采用摩擦摆减隔震支座后系杆拱桥的隔震周期延长，其中纵向第一阶基本周期由0.592 s变成2.689 s，横向第一阶基本周期由0.564 s变成2.681 s，明显改善了系杆拱桥的动力特性，降低其地震响应。

由表2、表3可知采用摩擦摆减隔震支座后，明显降低了固定墩P4的地震内力响应；对于活动墩P5也明显改善控制其设计的横向地震内力响应，纵向地震响应有小幅度提上是因为支座摩擦力的影响，但其不控制墩身设计。在E2强震作用下，最为控制墩身设计的是固定墩P4的纵向地震内力，其要承受全部上部结构传下来的地震内力，采用摩擦摆减隔震支座后，固定墩P4纵、横向减隔震都超过80%，大幅度优化了固定墩的设计。在E2强震作用下的活动墩P5，控制其内力设计的为横向地震响应，采用摩擦摆减震支座后，其横向减隔震率也超过80%，明显改善了其横向受力；至于其纵向地震响应略有增大，是因为固定支座剪断后，摩擦摆减隔震支座滑动摩擦，墩顶支座摩擦力影响造成的，但其不控制内力设计，为固定墩P4分担了部分纵向地震响应。

由表4可知，采用摩擦摆减隔震支座后，支座位移增大，这也是采用减隔震支座必需的条件，正是通过支座的摩擦摆动耗能，才能延长结构周期，消耗地震能量，进而降低结构的地震响应。但需要注意的是要通过调整摩擦摆减隔震支座的参数，将支座的滑动位移控制在一定范围之内，同时需要设置缓冲弹塑性挡块等抗震构造措施来防止碰撞破坏、落梁等地震灾害的发生。

从图10和图11可以看出，摩擦摆减隔振支座滞回曲线形状与支座滞回模型吻合，说明支座滞回模型的正确性。滞回曲线饱满，摩擦耗能稳定，说明了摩擦摆减隔震支座在地震作用下发挥了稳定可靠的减隔震作用。