摩擦摆支座在下承式系杆拱桥中的应用

谢振林

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海200437）

1 引言

为保证桥梁工程在地震作用下的安全性，满足抗震设防标准，需要对桥梁进行抗震设计。可采用的抗震体系有：（1）地震作用下，桥梁的弹塑性变形、耗能部位位于桥墩；（2）地震作用下，桥梁的耗能部位位于桥梁上、下部连接构件（支座、耗能装置）[1]。

在各种桥梁体系中，系杆拱桥依靠系杆平衡拱脚处的水平推力，对地基的适应性好，跨越能力强。伴随着系杆拱桥在城市中的大量建设，保证桥梁工程在地震下的安全性，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。

本文以一座跨径110m 的下承载系杆拱桥为例，研究摩擦摆支座在桥梁减隔震设计中的应用。

2 工程概况

浦东运河桥为连接上海浦东机场与迪士尼乐园重要道路-航城路的关键节点。桥梁方案为下承式系杆拱桥，大桥造型简约、美观。

规划浦东运河河口宽85m，根据航道部门的要求，水中不设墩柱，主桥一跨跨过浦东运河。

主桥采用跨径布置110m 的下承式系杆拱桥，主拱矢高24m，矢跨比1/4.6，拱轴线采用二次抛物线。全桥共2 榀拱肋，吊索区布置在机动车道与非机动车道中间。桥面以上设置3 道横撑连接2 榀拱肋。荷载由桥面板传到横梁再到纵梁，由纵梁传给吊杆再传到拱肋，由拱肋传到桥墩、基础。系杆采用通长系杆，锚固于端横梁钢箱内。全桥总体布置如图1 和图2 所示。

桥墩采用2.5m×3.0m 混凝土柱式桥墩，墩顶设置L 形盖梁。P6、P7 墩高分别为3.0m、6.2m 属于矮墩，不宜使用延性抗震设计，因此，本桥拟采用摩擦摆支座进行减隔震设计。

在正常使用状况下，墩3#，墩4#上支座纵桥向固定，其余墩支座纵桥向活动；墩1#，墩3#一侧的支座横桥向限位。在地震作用下，支座在固定位移方向提供一定的抗力，当地震作用水平力超过限位装置抗剪能力时，支座抗剪销剪坏，此时支座变为双向活动支座，双向减隔震。

图1 主桥立面布置图

图2 主桥支座布置图

3 摩擦摆隔震支座工作原理

摩擦摆支座是一种有效的干摩擦滑移隔震体系，1985 年美国的Dr. Victor Zayas 首先提出摩擦摆式支座的减隔震理念。摩擦摆支座具有优良的隔震消能机制及自复位能力，近年来得到了越来越多的应用[2,3]。

桥梁结构采用摩擦摆支座后结构周期基本上只取决于支座滑动球面半径R，而与被支撑的上部桥梁结构无关。一般工程应用中只需调整支座滑动球面半径R与接触面滑动摩擦系数μ，便能地对桥梁结构的地震响应进行预测和控制[4]。

摩擦摆系统的周期T可表示为：

式中，R为滑动面半径；g为重力加速度。

摩擦摆减隔震支座的力学特性可以按图3 所示的荷载-位移滞回曲线模型来模拟。图3 中，D为支座最大位移；F为支座水平回复力；Kp为初始摩擦刚度，可由下式确定：

式中，μ 为滑动面动摩擦系数；W为上部结构竖向荷载；dy为支座屈服位移。摩擦摆支座的等效刚度：

图3 摩擦摆支座荷载- 位移滞回曲线

4 抗震性能分析

4.1 有限元模型

利用有限元软件Midas Civil 建立桥梁动力分析模型。为考虑相邻联桥梁动力特性的影响，同时建立左右引桥的边界联模型（见图4）。主梁、盖梁、主墩及桩基础均采用空间梁单元模拟。利用m法计算土对桩基的弹性支撑刚度，m值取静力计算值的2 倍。所选用摩擦摆减隔震支座参数：μ=0.04，R=3.0m，T=3.5s。

图4 全桥有限元模型

4.2 地震波输入

拟建场地类别为Ⅳ类，基本地震烈度为7 度，所属的设计地震分组为第二组，地基土属软弱土。本工程的场地加速度反应谱特征周期为0.75s，调整后地震动峰值加速度调整后为0.12g。

抗震设防分类丙类，抗震设计方法为A 类，地震作用调整系数：E1地震调整系数Ci=0.46，E2地震调整系数Ci=2.2。E1与E2地震作用下反应谱各参数取值如表1 所示。

由规范反应谱生成人工时程曲线作为地震波输入进行非线性时程分析。根据规范反应谱数据生成地震动时程曲线。对应E2反应谱生成7 条地震波，并选取7 条波响应的平均值作为E2地震计算结果。

表1 E1、E2 地震作用各参数取值

注：表中Tg为特征周期，s；η1为反应谱直线下降段下降斜率调整系数；η2为结构阻尼调整系数；γ 为自特征周期到5 倍特征周期区段曲线衰减指数；A为地震动峰值加速度；Smax为设计加速度反应谱最大值，Smax=2.25A。

4.3 动力特性分析

结构动力特性分析中的特征方程求解采用多重Ritz 法，3 个方向地面加速度初始向量分别取50 个。

表2 列出了采用减隔震体系前后主桥主要动力特性，在应用了减隔震体系后，结构的基本周期延长到3s 以上，远大于场地周期0.75s。采用摩擦摆支座后，结构的第一阶自振周期延长了40%。

表2 减隔震前后动力特性

4.4 时程分析结果

应用非线性时程分析方法对结构在地震波作用下的响应进行分析。表3 和表4 为结构采用减隔震体系前后地震响应。表中隔震率=（隔震前-隔震后）/隔震前×100%。

表3 减隔震前后地震响应（纵桥向）

支座体系为常规布置时，纵桥向地震作用主要由墩3 与墩4 承担，横桥向桥墩间通过盖梁联系在一起，横向地震作用由4 个桥墩共同承当。采用减隔震体系时，纵向地震作用与横向地震作用均由4 个桥墩共同承当，减隔震体系更能充分发挥各个桥墩的抗力，体系更为合理。

表4 减隔震前后地震响应（横桥向）

由表3 和表4 分析结果可知，采用摩擦摆支座后，墩柱内力大幅度减小。横桥向剪力减震率约为50%，弯矩减震率约为30%。纵桥向减震效果尤为明显，墩3 墩底剪力与弯矩减震率在70%以上。

采用摩擦摆支座后，在减小墩柱内力的同时，支座位移即梁底与墩顶相对位移大大增加。过大的支座位移会给伸缩缝的设置与养护带来较多的问题，通过较小的摩擦摆滑动半径可以得到较大的回复力，从而减小支座位移，但此时会增加墩柱的内力。所以使用何种半径的摩擦摆要进行综合分析。

5 结语

通过计算分析，可知下承式系杆拱桥在采用了摩擦摆式减隔震支座后，改变了自身动力特性，显著延长了结构自振周期，避开场地周期从而提高结构的抗震性能。

通过对比分析，应用摩擦摆支座可以明显降低桥梁墩柱结构在地震作用下的响应，但支座位移较大。可通过调整摩擦摆减支座的摩擦系数、曲率半径等参数来改变支座在地震作用下的位移响应。要在墩柱内力与支座位移间综合考量来最终确定支座的各项参数。