高烈度区梁式渡槽减隔震设计研究

何俊荣，尤 岭，李世平，王伦文

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

近年来，渡槽因其较好的跨越能力与适应性被普遍应用于各项输水工程。然而渡槽的抗震问题是水工结构抗震领域较为棘手的问题，理论成果和运行经验都比较缺乏[1]。滇中引水工程输水渡槽多位于地震基本烈度为8度的高烈度区，地震作用成为渡槽结构设计的控制性工况，因此渡槽减隔震设计对整个结构安全性具有极其重要的意义。同时，由于渡槽上部结构恒载大，具有“头重、脚轻、身柔”的特点，下部结构往往成为抗震设计中最薄弱的部位。本文结合滇中引水工程某输水渡槽的抗震分析，主要对下部结构的抗震安全性做出评价，并选取合理的工程措施进行减隔震设计，为类似渡槽设计提供一定参考。

1 工程概况

某梁式渡槽为大理Ⅰ段大型输水渡槽，如图1所示，主体建筑属于1级建筑物，设计流量135m3/s，采用双线U形布置。槽身段总长510.0m，为相互独立的双槽预应力混凝土U形结构，单跨30m，共17跨，槽身高度7.0m，两端简支。为增加结构的整体稳定性，在槽身顶部间隔2.5m设置一拉杆，槽身之间设置盖板。

下部结构为圆端形空心墩加桩基础，如图2所示，槽墩帽梁高4.5m，平面尺寸(长×宽)10.8m×6.1m；墩身纵向壁厚0.8m，横向壁厚1.0m，圆端半径1.6m，墩身高度9.0～30.0m；承台平面尺寸(长×宽)21.7m×11.7m，厚3.5m；基础采用16根直径1.5m的钻孔灌注桩，呈6排梅花形布置。

图1 渡槽总体布置图(单位：cm)

图2 渡槽横断面图(单位：cm)

2 抗震模型的建立

2.1 地震动参数

工程区地震基本烈度为8度，设计地震动峰值加速度采用基准期50年超越概率10%的地震动峰值加速度值，根据工程区场地地震安全性评价报告，设计地震水平向加速度代表值为2.99m/s2，特征周期0.45s，阻尼比取0.05，设计反应谱曲线如图3所示。

图3 工程场地设计反应谱曲线

2.2 分析方法

本文抗震计算采用较为精细的时程分析法，地震动时程采用安评报告中设计反应谱对应的3条地震时程波进行计算，如图4所示，计算结果取其中最大值。

2.3 计算模型

本渡槽单跨跨径30m，为简支结构，选取能反映整体结构主要形态的部分结构，辅以适当的边界条件进行计算分析，就可满足工程需要。本渡槽最大墩高为6#和13#槽墩，均为30m；最小墩高为9#槽墩，仅9m。为反映出地震作用下，高墩与矮墩之间不同抗推刚度的影响，选取涵盖了最大和最小墩高并具有代表性的第4跨至第13跨进行建模计算。三维空间有限元抗震计算模型采用MIDAS/CIVIL软件建立，渡槽有限元计算模型如图5所示。

图4 设计反应谱对应的加速度时程曲线

图5 渡槽有限元计算模型

2.4 边界条件模拟

桩基础考虑桩土相互作用影响，桩土作用按土体的等效弹簧进行模拟，土弹簧刚度采用m法计算。两边渡槽的作用力以集中质量的形式分别施加在第4跨和第13跨边墩盖梁顶部支座中心的高度位置，包括一跨槽身混凝土和槽中水体自重的一半。地震作用下槽体内的动水压力按照GB/T 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[2]分为冲击动水压力和对流动水压力两部分进行模拟。抗震分析时考虑支座的影响，普通活动盆式橡胶支座可参考JGT/T 1302- 01- 2008《公路桥梁抗震设计细则》[3]采用双线性理想弹塑性弹簧单元模拟。

3 地震响应分析

3.1 自振特性

采用上述计算模型，利用多重Ritz向量法对结构的固有频率进行分析，前10阶固有频率结果见表1。

表1 渡槽固有频率(前10阶)

由固有频率表可知前6阶频率从1.005～1.243Hz均为顺槽向不同跨振动为主的模态振型，只是因对应槽墩高度差而出现频率的差异，第7阶(对应频率1.280Hz)和第8阶出现横槽向振动模态。

3.2 线性时程分析

设计地震作用下，按上述模型计算出渡槽下部结构各关键截面时程分析的最不利内力响应值及校核指标值见表2—3。

表2 纵向地震作用下墩底最不利内力及校核指标

注：表中轴力以受拉为正，受压为负，下同。

表3 横向地震作用下墩底最不利内力及校核指标

由表2—3可以看出，渡槽槽墩在地震作用下均处于受压状态，纵向地震作用下4#～7#槽墩底截面弯矩响应值均超过初始屈服弯矩进入塑性，但未超过等效屈服弯矩；横向地震作用下，除8#、9#、10#槽墩外，其余墩底截面弯矩响应值均已超过截面等效屈服弯矩。显然不能满足设计地震下的构件性能要求，应考虑采取有效的减隔震措施进行减震耗能设计。

4 减隔震设计

4.1 减隔震装置选取

近年来，国内外工程技术人员研制并开发了许多类型的减隔震装置，其中不少已应用于实际工程结构中，并经历了地震的考验。其中减隔震支座是通过自身的剪切变形延长结构周期、增加结构阻尼，从而消耗地震能量，有效减小结构地震反应的装置，被广泛运用于桥梁结构中[4]。目前，国内外使用较多的减隔震支座有叠层橡胶类支座、弹塑性防落梁球型钢支座、摩擦摆隔震支座、拉索减隔震支座等。

渡槽与桥梁结构受力特点高度相似，且上部结构恒载大具有头重、脚轻的特点，采用摩擦摆隔震支座利用上部结构自重产生摩擦力进行耗可能会达到较好的效果。

4.2 减震原理及力学模型

摩擦摆隔震支座嵌在滑块容腔中的铰接滑块与滑动面具有相同的曲率半径，可与滑动面完全贴合并使上支座板在支座滑动时始终保持水平，其运动形式如图6所示。滑动面上涂有低摩擦材料，可在滑动过程中耗散能量，当滑动界面受到的地震作用超过静摩擦力时，地面水平运动会促使滑块在其圆弧面内滑动，从而迫使上部结构轻微抬高，发生单摆运动，同时支座能依靠其承受的重力自动往中心位置回复，使地震响应得到控制。

图6 摩擦摆隔震支座运动示意图

摩擦摆隔震支座的水平力F可表示为滑动面摩擦力与上部结构沿滑道上升产生的恢复力之和，即

(1)

当θ很小时，式(1)可简化为：

(2)

式中,R—滑道及滑块底部圆弧面半径；W—滑块承载质量；D—位移；摩擦力f=μW，μ—摩擦系数；θ—滑块相对于滑道竖向对称轴的转角。

图7 摩擦摆支座的滞回模型

由式(2)以及支座刚度的各向对称性，可以将其力学模型近似取为双线性模型，如图7所示，其中Ki=μW/Dy为初始刚度；Dy为屈服位移；Kfps=W/R为支座摆动刚度；Keff为等效刚度；Dd为支座设计位移[5]。

摩擦摆隔震支座的周期、竖向承载力、阻尼比、侧向位移和抗拉力等指标可以进行单独控制，便于对隔震系统进行优化设计。其中动摩擦系数和滑动面半径是控制摩擦摆支座的两个主要参数，考虑到渡槽位于8度区，本文计算时摩擦系数μ取0.1，摩擦面曲率半径R取2.0m。

4.3 减震效果对比

采用前述计算模型引入摩擦摆隔震支座，进行非线性时程分析，对比摩擦摆支座的减隔震效果。设计地震作用下，以最大墩高6#槽墩和最小墩高9#槽墩墩底截面弯矩为例，其时程分析结果如图8—11所示。各槽墩墩底截面的最大弯矩响应值对比见表4，槽墩墩顶的位移响应值对比见表5。

图8 纵向地震下6#槽墩墩底截面弯矩时程对比图

图9 纵向地震下9#槽墩墩底截面弯矩时程对比图

图10 横向地震下6#槽墩墩底截面弯矩时程对比图

图11 横向地震下9#槽墩墩底截面弯矩时程对比图

单位：kN·m

表5 采用摩擦摆支座前后槽墩墩顶位移响应值对比 单位：cm

上述分析表明，采用摩擦摆隔震支座后，在设计地震下可有效发挥减震耗能作用，降低槽墩墩底截面弯矩及墩顶位移的响应，尤其在横向地震下的减震效果更为突出。同时，随着槽墩墩高减小，墩身刚度越大，支座对弯矩和位移最大响应值的削减越明显。纵向地震作用下，9#槽墩墩底最大弯矩响应值减小达32.2%，墩顶位移减小达45.0%；横向地震作用下，9#槽墩墩底最大弯矩响应值减小达58.7%，墩顶位移减小达60.0%。

4.4 截面验算

渡槽下部结构槽墩各关键截面最不利内力响应值及校核指标值见表6—7，支座位移及支反力响应值见表8。

表6 纵向地震作用下墩底最不利内力及校核指标

表7 横向地震作用下墩底最不利内力及校核指标

表8 非线性时程分析支座位移及支反力响应值

验算结果表明：

(1)采用减震支座后，对渡槽下部结构内力响应值有较大程度的改善，基本满足设计地震下槽墩的性能要求。

(2)纵向地震作用下4#～6#槽墩、横向地震作用下5#、6#和12#槽墩墩底截面弯矩响应虽超过初始屈服弯矩进入塑性，但远小于截面等效屈服弯矩，其余关键截面弯矩均未超过初始屈服弯矩保持弹性。下阶段可在槽墩墩底对塑性铰潜在区域进一步展开延性配筋设计，合理设置塑性铰，进一步改善地震作用下渡槽下部结构的受力。

(3)在设计地震作用下，支座处于受压状态，并未出现上拔现象，支座承受的最大竖向动压力为10965.1kN，纵向最大位移为12.7cm，横向最大位移为14.5cm。因此，摩擦摆隔震支座的参数取值较为合适。

5 抗震设防构造措施

高烈度区输水渡槽除采用抗震支座进行结构减隔震设计外，还应考虑增设抗震设防构造措施，进一步增强结构抗震性能、提高抗震安全储备、减小结构构件在地震作用下的损伤。

(1)合理设置渡槽墩台帽梁结构尺寸，槽体梁端至帽梁边缘考虑足够的安全距离，降低地震作用下落梁的风险。

(2)在墩台挡块位置处设置缓冲橡胶垫块，减缓横向地震作用下槽体对挡块的直接碰撞，并加强挡块配筋。

(3)参考JGT/1302- 01- 2008，在槽墩墩底潜在塑性铰区域进行延性构造设计并加密箍筋配置，合理设置塑性铰，提高延性变形能力，进一步改善地震作用槽墩和桩基受力。

(4)渡槽结构主筋锚固长度、搭接长度及箍筋、拉筋的弯钩形式，可参考JGT/1302- 01- 2008按照8度区相关构造要求进行配置。

6 结论

通过对梁式渡槽进行详细的抗震分析和减隔震设计，可得到以下主要结论：

(1)渡槽结构的线性时程分析结果表明，由于工程区地震基本烈度达8度，在纵向、横向地震作用下，大部分槽墩墩底最大弯矩响应值已超过截面等效屈服弯矩，下部结构不能满足设计地震下的构件性能要求成为薄弱环节，需采取有效的减隔震措施进行减震耗能设计。

(2)渡槽与桥梁结构具有高度的相似性，而桥梁抗震领域的理论与实践经验相对完备，可考虑将桥梁抗震领域被广泛采用的减隔震支座引入渡槽结构中进行减震设计。

(3)采用减震支座后的非线性时程分析结果表明，摩擦摆隔震支座在设计地震下可有效发挥减震耗能作用，降低墩底截面弯矩及墩顶位移的响应值，尤其在横向地震下的减震效果更为突出，较大程度地改善了渡槽下部结构受力。

(4)高烈度区输水渡槽除引入抗震支座进行减隔震设计外，还可借鉴桥梁工程中的相关抗震设防构造措施，进一步提高下部结构抗震安全储备。

(5)摩擦摆支座虽有很好的隔震效果，但地震作用下残余变形较大，无法实现完全自复位，震后需进行更换，且本文非线性分析中采用的支座非线性参数对支座技术要求较为苛刻。后续可根据输水渡槽自身结构特点，开展对减隔震支座的专门研究，选用更加合理的减隔震支座。