近断层地震作用下大跨连续梁桥拉索减震支座数值模型研究

2021-01-07吴宜峰李爱群

北京建筑大学学报 2020年4期

张琰，吴宜峰,2，李爱群,2,3

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044； 2.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3.东南大学土木工程学院，南京 210096)

近年来，主要的几场近场地震动对结构造成了极大的破坏。一般认为，距断层破裂面小于20 km的区域为近断层区域[1]，其以短持时和高能量的脉冲运动为特征，可能对结构造成较大的位移和变形[2-3]。目前，隔震技术因概念通俗易懂、应用效果显著，是广泛应用的减震手段之一[4]，其在近场地震动作用下也可发挥较好的作用[5]。因此，针对近断层地震动作用下大跨度桥梁的反应特性，有必要对其进行减隔震设计研究。

在大跨度的连续梁桥中，通常利用摩擦摆支座(Frictional Pendulum Bearing， FPB)来减小桥梁的墩底内力，摩擦摆支座作为一种有效的摩擦滑移减隔震体系，因其自复位能力良好以及造价较低，受到国内外学者的深入研究[6]。焦驰宇等[7]对比了2种FPB分析模型对连续梁桥的影响，并提出了FPB支座合理抗震计算模型选取时应注意的问题以及参数选取。MURAT等[8]提出一种新的FPB模型，进而研究了FPB的法向力与摩擦系数等的变化对三维多跨连续钢梁桥模型响应的影响。彭天波等[9]通过有限元分析将双曲面摩擦摆支座应用在一座两跨连续梁桥中，得出该支座可以满足连续梁桥的减隔震要求。SIQUEIRA[10]、KRISHNAMOORTHY[11]等通过研究均表明摩擦摆支座在连续梁桥上具有很好的隔震效果。但是，FPB在减小墩底弯矩与剪力的同时，也会引起墩梁相对位移的增大，所以有必要采用拉索来减小墩梁相对位移。DESROCHES等[12]通过简支梁桥足尺拟静力试验测试了拉索的限位能力以及桥梁失效模式。袁万城等[13-14]通过有限元研究了拉索减震支座对连续梁桥地震响应的影响以及拉索支座的合理参数取值。石岩等[15]以一座高速铁路连续梁桥为例，研究在近断层地震动下，采用减震榫与拉索限位器组合减震方案桥梁结构的抗震性能。袁万城等[16]研究了考虑地震动空间效应的深水桥梁拉索减震体系的减震效果，进一步改进了拉索减震支座，以一座三跨连续梁桥为背景，研究新型拉索减震支座在设计参数对脉冲型地震作用下桥梁减隔震性能的影响规律[17]。

以上研究大多都是分析连续梁桥在远场地震作用下的地震响应，针对近断层脉冲地震动下的安装有FPB和拉索减震支座的桥梁地震响应分析与参数研究不多，而近断层地震动有可能对隔震桥梁产生严重损害，所以，本文以一座混凝土三跨连续梁桥为工程背景，利用有限元分析研究FPB与拉索减震支座参数不同取值对桥梁减震效果的影响。

1 工程概况及桥梁计算模型

本文以一座(55+95+55) m的三跨预应力连续变截面箱梁桥(图1)为研究背景建立MIDAS/Civil模型(图2)，并进行地震响应分析。该桥主梁采用单箱单室变截面箱梁，梁底线形为二次抛物线，12号与13号桥墩采用矩形墙式墩，尺寸为3.5 m×8.9 m，11号与14号桥墩采用分离式双柱式桥墩，其墩柱直径为1.8 m。

在MIDAS/Civil三维有限元模型中，共161个节点、134个单元以及89个截面。桥梁的主梁、盖梁、桥墩和承台均采用空间梁单元模拟，主梁采用单梁法建立，桥面铺装、栏杆均以均布荷载的形式加在纵梁上。11号与14号桥墩上的活动盆式支座均采用“一般连接”中的“滞后系统”来模拟。桥墩混凝土材料采用Mander本构模型，钢筋选用双折线模型，桥墩截面采用纤维模型，以便考虑桥墩的塑性变形耗能影响。由于桩基础刚度足够，为简化分析，桥墩底部固接，不考虑桩土相互作用。

2 拉索减震支座计算模型

拉索减震支座是由拉索与摩擦摆支座组合而成，如图3(a)所示，因此也同时具备了2种支座的优点。在地震动作用下，连续梁桥上部结构所产生的能量通过摩擦摆支座的摩擦力将其传递到下部结构，防止了桥梁上部结构产生重大的破坏；并且当摩擦摆支座发生过大的位移时，再利用拉索限制其相对位移，避免产生落梁等危险。拉索减震原理通俗易懂, 应用广泛，且技术成熟, 造价低廉，在桥梁领域具有很大的应用前景。

拉索减震支座的恢复力曲线如图3(b)所示，F为支座恢复力；D为位移；K1为摩擦摆支座的滑动前刚度；K2为拉索刚度；F1为摩擦摆支座开始滑动时的特征强度；d1为摩擦摆支座开始滑动时的临界位移；d2为拉索的初始间隙。拉索减震支座具有分级抗震功能，当支座位移小于d2时，支座可视为摩擦摆支座，通过摩擦力耗能传递能量；当支座位移大于d2时，拉索刚度K2再发挥作用。在有限元软件MIDAS/Civil中，采用软件自带的摩擦摆支座力学模型与“一般连接”中的“钩单元”相互结合组成拉索减震支座模型。摩擦摆支座力学模型的主要参数为摩擦系数μ与滑道半径R，此处不考虑摩擦系数随速度的变化，取μ为0.03，R为5 m[18]。拉索的主要控制参数为拉索刚度K2与初始间隙d2，根据袁万城等[13-14]1593-1600,1126-1131的研究，当K2<300 MN/m，其桥梁墩梁相对位移随着拉索刚度的增大而迅速减小，而K2>300 MN/m则相对位移的减小速度变小。为研究支座不同参数取值对大跨连续梁桥隔震效果的影响，在袁万城等[13-14]1593-1600,1126-1131研究的基础上取K2分别为3、6、9、15、30、45、60、90 MN/m，d2分别为0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40 m。本文在进行拉索减震支座参数分析时，重点研究支座不同参数取值对最大桥梁墩底弯矩与最大墩梁相对位移的影响。

3 近断层地震动输入

目前，近断层脉冲地震动对结构响应的研究较多[19-23]，但仍少见直接研究脉冲周期Tp对桥梁地震响应的影响。因此，为了研究不同脉冲近断层地震动作用下结构的响应，选取6条不同脉冲周期的近断层地震动输入，Tp分布为1～6 s，将其分为3组，分别为1～2 s、3～4 s、5～6 s，输入3组不同范围的近断层地震动探究拉索减震支座不同参数组合时桥梁地震响应值的变化规律。按Tp从小到大的顺序将地震动编为1#～6#，表1列举了6条地震动的详细信息。桥梁位于地震烈度8度区，桥梁分类为B类，按照JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[24]将各条地震动的加速度时程曲线峰值调整为0.39 g。图4为地震动1#和地震动6#调幅后的加速度时程曲线。

表1 地震动主要特征

4 拉索减震支座参数分析

4.1 拉索减震支座减震效果量化

为了更加具体地探究拉索减震支座对桥梁的减震效果，设置1组拉索支座的拉索刚度为0(等同于未设置拉索)作为参照，并定义弯矩减震率φ、位移减震率ψ为:

(1)

(2)

式中：Mmax、Dmax分别为未设置拉索方案中桥墩最大墩底弯矩、最大梁墩相对位移，单位分别为kN·m、cm；M′max、D′max分别为其余拉索减震支座方案中桥墩最大墩底弯矩、最大梁墩相对位移，单位分别为kN·m、cm。

4.2 参数分析

将6条近断层地震波分别沿纵桥向输入桥梁中进行非线性时程分析。根据12号墩的塑性弯矩曲率曲线得到其开裂弯矩为50 586 kN·m，曲率为6.240 91 m-1；其屈服弯矩为159 762 kN·m，曲率为0.000 77 m-1。由于12号与13号墩的地震响应值相似，故此处仅列举出12号墩的响应结果，6条地震波12号墩的地震响应值如图5～图7所示。

由图5～图7可知，随着Tp的增大，桥墩的最大墩底弯矩值与最大相对墩梁位移值随之增大。由图5可得，当近断层地震动Tp为1～2 s时，12号墩的最大墩底弯矩值随着拉索刚度的增大而增大，随着拉索间隔的增大而减小；尤其当d2=0时，随着Tp值的增大，桥墩的最大墩底弯矩值的增长幅度渐趋平缓。2条近断层地震动作用下的未设置拉索时的最大墩梁位移值为12～14 cm，而随着拉索刚度的增大，d2=0时的最大墩梁相对位移出现了反常增大的现象，这是由于未设置拉索时的最大墩梁相对位移较小，其位移的变化比较不好控制，且由于其位移本身很小所以对支座减震效果影响不大。由图6可知，在近断层地震动Tp为3～4 s时，随着拉索刚度的增大，12号墩的最大墩底弯矩值随之增大且增大的幅度逐渐减小，而最大墩梁相对位移值随之减小且减小的幅度逐渐减小；随着拉索间隔的增大，12号墩的最大墩底弯矩值随之减小，而最大墩梁相对位移值随之增大。2条地震动作用下的拉索间隔d2=0方案时的桥墩最大墩底弯矩值在拉索刚度为45 MN/m时，其弯矩值增加的幅度增大，这是由于相对应的位移值在拉索刚度K2>45 MN/m时，最大墩梁相对位移值几乎没有变化，同时拉索刚度在增大，所以其弯矩值会突然激增。由图7可知，当近断层地震动Tp为5～6 s时，其弯矩值与位移值随着拉索刚度和拉索间隔的整体变化趋势与图6相同。但是，在6#地震动作用下d2≤0.10 m的方案中，当拉索刚度K2>30 MN/m时，其弯矩值与位移值随着拉索刚度与间隔的变化规律出现了一定的反常现象。

经过计算机分析得出，在拉索刚度K2为0(即未设置拉索)方案中，当Tp=2.996 s时，桥墩的最大墩底弯矩值为16 918.8 kN·m，其最大墩梁相对位移值为21.951 cm；当Tp=5.649 s时，桥墩的最大墩底弯矩值为30 000.0 kN·m，其最大墩梁相对位移值为42.922 cm。按照式(1)与式(2)可得到拉索减震支座的弯矩减震率与位移减震率，此处只列举3#与6#地震动作用下的拉索支座的减震率，见表2～表5。