基于摩擦摆支座的连续梁桥地震响应分析

王立宪,王润发,狄生奎,项长生(．兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州　730050; 2．西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州　730050)

基于摩擦摆支座的连续梁桥地震响应分析

王立宪1,2,王润发1,狄生奎1,2,项长生1,2
(1．兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州730050; 2．西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050)

为研究摩擦摆支座对桥梁结构的减震效果,以摩擦摆减隔震支座的连续梁桥为研究对象,介绍了支座的减隔震原理和力学性能,建立有限元分析模型并进行动力时程分析.结果表明,摩擦摆减隔震支座具有顺桥向优于横桥向的减震效果;在摩擦摆支座的参数选取方面,不宜选取过大的摩擦系数和曲面半径,以保证其良好的自复位能力;在其他参数不变的情况下摩擦摆支座的减震效果随着墩高的增加而减弱.

摩擦摆支座;连续梁桥;时程分析;减震效果;自复位能力

引用格式:Wang Lixian,Wang Runfa,Di Shengkui,et al．Analysis Based on the Seismic Response of Continuous Bridge of Friction Pendulum Bearing[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):53G57．[王立宪,王润发,狄生奎,等．基于摩擦摆支座的连续梁桥地震响应分析[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):53G57．]

随着抗震设计理念的进步,桥梁的减隔震设计越来越受到重视,利用减隔震支座来减小桥梁结构的地震反应已成为桥梁抗震设计的一种理念.目前在桥梁结构常用的整体型减隔震支座有高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座[1].较前两种减隔震支座,摩擦摆支座具有更高地承载力、更大位移能力和更好地耐久性,在国外已经得到工程界的认可和青睐[2G4].

摩擦摆隔震装置最早由美国公司于1985年发明,近年来在美国和日本进行了大量的研发和广泛的应用.国内对摩擦摆隔震支座减隔震技术的研究近年来发展迅速,在结构方面的应用比较多,但是在桥梁方面的应用比较少[5,6].以某一连续梁桥为研究对象,在梁和桥墩的连接处设置摩擦摆减隔震支座,选取合理的支座参数,对此隔震连续梁桥结构进行地震响应分析,其结论可作为连续梁桥抗震设计的参考依据.

1　摩擦摆支座原理及性能指标

1．1摩擦摆支座的减隔震原理

摩擦摆减隔震支座是一种利用钟摆原理实现减隔震功能的支座,支座在地震作用下通过滑动界面摩擦消耗地震能量实现减震功能,通过球面摆动延长梁体运动周期实现隔震功能.同时特有的圆弧滑动面可使其上部结构在自重作用下产生恢复力,地震后结构能够实现自动复位.当地震作用很小时,它引起的支座剪力小于静摩擦力,摩擦摆隔震支座不会发生滑动,此时隔震支座的作用与普通支座的作用相同;当地震作用比较大时,它引起的支座剪力超过了一定的限值,支座便开始滑动,发挥其减震、隔震的功能[7,8].一般情况下选择了合适的支座参数后,摩擦摆支座都能满足桥梁结构的温度变形和地震运动要求[9].应用于公路桥梁的摩擦摆减隔震支座按使用性能分为固定摩擦摆式减隔震支座(GD)、单向活动摩擦摆式减隔震支座(DX)、双向活动摩擦摆式减隔震支座(SX)三种.因此在支座布置的时候,要根据具体情况来选择支座.

1．2支座滞回模型及性能指标

摩擦摆支座的力学模型可以简化为沿圆弧滑道运动的滑块,简化的力学模型如图1所示,由支座规范可知其滞回曲线,如图2所示.

图1　摩擦摆支座的简化力学模型Fig．1　Simplified mechanical model of friction pendulum bearing

图2　摩擦摆支座荷载G位移滞回曲线Fig．2　Load versus displacement hysteretic curves of friction pendulum bearing

图2中μ为动摩擦系数;W为竖向荷载;Kp为初始刚度;Kc为屈后刚度;Keff为等效刚度;dy为屈服位移;D为减隔震位移量;F为回复力.

支座的回复力计算公式为

其初始刚度计算公式为

其中:dy取2．5 mm.等效刚度计算公式为

支座隔震周期计算公式为

屈服后刚度计算公式为

水平屈服力计算公式为

图3　动力分析模型Fig．3　Dynamic analysis model

2　桥梁模型及支座参数选取

某大桥的主桥为85 m＋130 m＋85 m的三跨预应力变截面混凝土连续梁桥.上部结构为单箱单室的箱梁,顶板12．7 m,跨中梁高2．7 m,底板厚0．26 m,支座附近梁高7 m,底板厚0．85 m.中墩高15 m,边墩高19．3 m,梁采用C50的混凝土,桥墩采用C30的混凝土.采用Midas/civil软件建立如图3所示的有限元分析模型,桥墩和主梁都采用梁单元来模拟,共建立了空间梁单元106个,节点111个.普通支座采用弹性连接来模拟,参照«公路桥梁抗震设计细则»[10]在墩底作用六个方向的弹簧等代群桩作用.普通支座桥梁采用线性时程进行动力分析,摩擦摆支座隔震桥梁采用非线性时程进行动力分析.摩擦摆支座布置形式为在纵桥向仅布置一个固定支座,其余为活动支座,在横桥向每个墩顶一侧布置固定支座,另外一侧布置上活动支座,具体布置形式如图4所示.摩擦摆支座的主要参数有:支座竖向荷载W、曲率半径R、滑动面摩擦系数μ、隔震周期T、地震作用下支座最大水平位移D[1].通常摩擦摆支座的球面半径为2~4 m,故取摩擦摆支座半径R＝4 m,由式(4)可知支座隔震周期T＝4 s,大于未采用隔震装置结构周期的2倍,满足要求.摩擦系数取μ＝0．03,根据式(5)和式(6)分别计算出支座的主要设计参数,如表1所列.

图4　摩擦摆支座平布置示意图Fig．4　Plan of friction pendulum bearing

图4中支座号3为横向摩擦摆支座;支座号4为固定摩擦摆支座;支座号1、6、8为纵向摩擦摆支座;支座号2、5、7为双向摩擦摆支座.

表1　摩擦摆支座主要设计参数Table 1　The main design parameters of friction pendulum bearing

3　时程结果分析

选择常用的ElGcentro、James、Taft三种地震波作为输入地震波,并将它们的幅值统一调整到0．35g.将这三条地震波分别输入桥梁的纵、横方向进行时程分析.根据连续梁桥的受力特点选用②号固定墩作为分析对象,其分析结果如表2和表3所列.

表2　纵桥向②号固定墩墩底弯矩减震效果Table 2　VibrationGsuppressing effect of bending moment infixed pier bottom of longitudinal direction No．②

表3　横桥向②号固定墩墩底弯矩减震效果Table 3　VibrationGsuppressing effect of bending moment in fixed pier bottom of transverse direction No．②

从表2和表3的分析结果可知,在三种不同地震波的作用下减震效果均很明显,在不同的地震波的作用下隔震支座的减震效果会有很大的不同,因此在进行减隔震设计的时候要选择合适的地震波作为输入地震波进行地震响应分析.同时也可以看出摩擦摆支座的纵桥向减震效果要更优于横桥向的减震效果.

4　墩高对隔震效果的影响

通常在跨越一个复杂的地形时会造成桥墩的高度有较大的差别,从而结构的自振特性也会有较大的差别,这会对支座的隔震效果造成影响.因为随着墩高的增加,桥梁的水平刚度降低,桥梁上部结构惯性力的传递减少,桥墩自身振动对墩底截面地震响应影响所占的比例会增加,又由于墩身剪力与墩底截面弯矩的关系,墩高增加时,墩底截面的弯矩势必会增加.综合考虑墩高势必会对隔震桥梁的隔震效果产生影响.因此,在其他参数不变的情况下分别取桥墩高为15 m、25 m、35 m、45 m时分析减隔震支座的减震效果,输入的地震波选择ElGcentro波,其分析结果如图5所示.

图5　纵向②号固定墩墩底剪力、弯矩减震效果Fig．5　VibrationGsuppressing effect of shear force and bending moment in fixed pier bottom oflongitudinal direction No．②

从图5的分析结果可以看出随着墩高的增加,支座的减震效果逐渐减小,当桥墩很高时,支座的减震作用无法取得很好的效果.因此在桥梁结构的桥墩较高时采用摩擦摆支座进行减隔震设计应慎重,此时应该考虑使用其他减隔震支座或者其他减隔震方案.

5　摩擦摆支座的自复位能力

从式(1)可以看出支座的回复力与曲面半径R及摩擦系数μ有关.显然,支座在地震作用下正常摆动的过程中支座回复力F≥0,当F＝0时,支座处于一种随遇平衡的状态,此时支座不会在结构自重的作用下自动回复;当F＞0时,支座在地震后回复的过程中在竖向荷载的作用下能够实现自动复位.因此有

sgṅD为符号函数,故式(7)可简化为

由式(8)可知当D＞μR时支座可以实现自复位功能;当D＝μR时支座将不能实现自复位功能,此时产生残余位移,残余位移量为μR.在选择支座参数时要充分考虑支座自复位能力的限制条件,因此必须保证D＞μR支座才能在自重作用下自动复位.所以为保证支座有足够的自动复位能力,摩擦系数和曲面半径的选取要合适,不能取值过大.通过时程分析可知摩擦摆支座在三条地震波作用下最大摆动位移中最小的横向位移为12．2 cm,纵向位移为12．7 cm,均大于μR＝0．03×400 cm＝12 cm,满足式(8)的自复位能力条件.因此,基于此次参数选取的摩擦摆支座具有自复位能力.从减隔震设计考虑,在一定范围内其曲面半径和摩擦系数越大,支座的减隔震效果越好,但是从以上分析可知,为保证支座良好的自复位能力,摩擦系数和半径均不宜取过大.所以在支座参数的选取方面要综合考虑减隔震效果和自复位能力要求,从而选取合适的支座参数.

6　结论

(1)在地震作用下,摩擦摆隔震支座对连续梁桥结构的纵、横方向都能起到很好的减震效果,但是对桥梁纵向的减震效果比横向的减震效果更显著.

(2)为保证摩擦摆支座的自回复能力,其摩擦系数和半径都不宜过大.同时因摩擦系数和曲面半径越大,支座的减隔震效果越好.所以在进行连续梁桥减隔震设计的过程中应选取合适的支座摩擦系数和半径来保证其较好的减隔震效果和自复位能力.

(3)在其他参数不变的情况下,摩擦摆支座的减隔震效果会随着墩高的增加而减弱,所以在高墩连续梁桥减隔震设计中应选择合理的减隔震支座或者另选其他减隔震方案.

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Analysis Based on the Seismic Response of Continuous Bridge of Friction Pendulum Bearing

Wang Lixian1,2,Wang Runfa1,Di Shengkui1,2,Xiang Changsheng1,2
(1．Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2．Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to study the vibrationGsuppressing effect of friction pendulum bearing on bridge strucGture,a finite element analytical model is built and dynamic and timeGhistorical analysis is conducted by uG sing continuous bridge of friction pendulum seismic isolation bearing as the object,and introducing the seisG mic isolation principle and mechanical property of bearing．The analysis result indicates that friction penduG lum seismic isolation bearing has a vibrationGsuppressing effect which is along bridge direction and superior to crossGbridge direction．During the parameter selection of friction pendulum bearing,oversize friction coefG ficient and curve surface radius shall not be chosen to guarantee its good automatic resilience ability．The viG brationGsuppressing effect of friction pendulum bearing weakens with the rise of pier high with the other parameters remaining the same．

Friction pendulum bearing;Continuous bridge;TimeGhistorical analysis;VibrationGsuppressing effect;Automatic resilience ability

U443．36

A

1004G0366(2016)02G0053G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．012．

2015G03G16;

2015G04G09．

甘肃省自然科学基金(148RJZA012);甘肃省科技支撑项目(0708GKCA002)．

王立宪(1977G),男,甘肃靖远人,博士研究生,讲师,研究方向为结构健康监测．EGmail:wanglxian＠lut．cn．