基于摩擦摆支座和钢阻尼器的大跨度预应力连续梁桥支座抗震应用分析

刘俊旺

（天津高速公路集团有限公司，天津 300000）

0 引言

随着我国基础设施的不断完善，公路改扩建工程如火如荼，其中，大跨径混凝土连续箱梁抗震技术得到广泛应用。在此过程中，减隔震技术和被动控制技术以及主动控制技术、混合控制技术等都在不断地提升、完善。相关理论依据显示[1]，串联体系如果搭配加权体系并达到最优效果，可以有效提升桥梁的抗震效果。

吴文朋等[2]曾通过易损性分析来研究桥梁参数对于桥梁结构抗震程度是否呈正相关，结果显示，初始桥梁刚度和桥梁系统的抗震性呈现正相关。

刘钊等[3]通过IDA 方法，评估证明减隔震支座体系的桥墩损坏率比普通降低50%。摩擦摆支座具有自身的特性，即它的圆弧滑动面可以自动复位。这一特性不仅可以极大程度地降低隔震支座的位移，让它在震后迅速复原。

本研究以滨海地区某高速公路跨河大跨径连续梁为研究对象，对JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座和钢阻尼器抗震进行分析，评估减隔震支座力学性能，同时建立有限元模型，对摩擦摆支座在今后的应用提出了建议。

1 基于摩擦摆支座和E 型钢阻尼器的桥梁抗震性能分析

某跨河大桥为3 跨变截面预应力混凝土连续箱梁，桥型布置为(100+160+100)m，采用左、右两幅的分离式双线桥设计，左、右线均采用单箱单室变截面连续箱梁。箱梁底宽为6.25m，中间支点处梁高9.5m，跨中处梁高3.5m，梁底曲线采用1.8 次抛物线。跨支点处梁高9.5m（与跨径的比值为1/16.84），跨中梁高3.5m（与跨径的比值为1/45.71），梁高按1.8 次抛物线变化。主桥下部主墩采用12.45×5m 的圆端形实体墩，基础为24φ1.8m 钢筋混凝土钻孔群桩。边墩为9.85×3.6m 的圆端形实体墩，基础为8φ1.5m 钢筋混凝土钻孔群桩。根据《中国地震动参数区划图》，本段工程场地地震基本烈度为7 度，地震动峰值加速度为0.15g。桥梁抗震设防分类为B 类，按8 度采取抗震设防措施。

以采用必要的措施使其能够在地震作用下具有良好的减隔震效果为目的，对摩擦摆支座、E 型钢阻尼器对大跨径混凝土连续箱梁的影响进行研究、实际验证及测试。

1.1 JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座设计

1.1.1 根据该桥特点，采用摩擦摆支座与E 型钢阻尼器相结合的减隔震设计。主要参数如表1 所示。

表1 摩擦摆支座与E 型钢阻尼器相结合的减隔震设计参数

摩擦摆支座的曲率半径R=4.0m 时，摩擦摆系统的隔震周期为：。支座摆动时，大桥主桥体系的周期为：T＝（T12＋T'2）1/2＝4.17s，约为隔震前结构自振周期（1.29s）的3.2 倍。

1.1.2 E 型钢阻尼器设计技术参数为：固定墩上安装4 个E型钢阻尼器将主墩与主梁进行连接，阻尼器型号为125t，位移量为350mm。

1.2 结构分析内容及模型

本次分析目的是检验E1 地震作用下桥梁、墩身、JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座是否处在弹性范围，得出支座限位力；检验E2 地震作用下JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座减隔震效果，以及桥梁、墩身受力情况，得出摩擦摆支座位移量。

具体的做法是：选用合适的地震波（E1：50 年63%概率；E2：50 年2%概率）进行时程分析。在E1 工况下，JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座处于弹性状态，因此结构模型按常规结构计算，支座采用普通连接单元模拟；通过计算得出墩顶剪力作为支座的限位力。在E2 工况下，JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座的限位装置被剪断，结构模型采用摩擦摆单元模拟；计算摩擦摆在地震作用下的滞回位移，得出支座设计位移量。

桥梁箱型梁体被划分为若干个梁单元，桥墩被划分为10 个梁单元，桥梁有限元模型如图1 所示。主梁采用beam 单元，截面采用其变截面；支座布置E1、E2 设置不同，详见后面介绍。在计算中，以设计单位提供梁及墩图纸进行建模，以二期恒载作为质量附属于所建模型的节点上；在建立质量矩阵时直接将其荷载转化成质量。在地震响应分析中，桩基刚度按照承台底固结处理。

图1 桥梁有限元模型

1.3 抗震分析结果

考虑了纵向地震和横向地震，地震波采用的是50 年概率63%。E1 纵向地震线性时程分析：该工况下，地震加速度峰值PGA=0.57m/s2，约为0.058g，地震力很小，因此桥梁、桥墩、桩基、摩擦摆支座仍然处在线性状态；桥梁纵向地震力仅由固定墩承担，其余墩仅承担自身惯性力。通过计算边墩摩擦摆支座纵向地震力下位移量，三条地震波分别为：282mm、323mm、277mm；支座最大水平为684kN，还不足支座吨位的10%。

表2 仅给出E2 横向地震时各墩受力，各墩受力均比较小，中墩最大墩顶剪力仅为10188kN。通过计算横向地震摩擦摆支座需要的位移量为340mm。

表2 横向地震各墩受力情况（单位：kN、m）

根据《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）的要求建立有限元模型，然后分别计算E1 工况地震响应及E2 工况地震响应，得到以下结论：

（1）E1 工况下依靠JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座的限位装置抵抗地震力不可行，因为固定墩E1 地震下纵向力高达20185kN，超出墩身、桩基承载能力。故摩擦摆支座限位力为支座吨位的10%，可以满足汽车制动力、温度等常规荷载。

（2）E2 工况下，JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座发挥减隔震作用，减小桥墩的最大弯矩及墩底的剪力，墩顶水平力、墩底弯矩受力很小，减隔震效果理想。

（3）通过计算，在固定墩上设置4 个125t E 型钢阻尼器，摩擦摆支座纵向位移需要±315mm。横桥向没有设置E 型钢阻尼器，横向位移需要±340mm，纵向位移小于横向位移，是因为设置在固定墩的E 型钢阻尼器发挥了作用。

（4）JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座利用球面提供回复力，使地震后桥梁自动复位。

2 摩擦摆减隔震支座力学性能分析

支座的竖向设计承载力分2 级：15000kN、70000kN，以70000KN 为例，对支座主要零件关键部位的设计进行计算，其中一部分结果如下。

2.1 耐磨板、球面耐磨板参数计算

本支座取1540mm，满足设计要求。

（2）耐磨板的厚度h：按标准要求h 取7mm。

2.2 球冠衬板的参数计算

（1）球冠衬板的转动曲率半径SR：依据国外球型支座的经验取值：1.2·d ≤SR ≤2.8·d，1.2×1400 ≤SR ≤2.8×1400，1680 ≤SR≤3920，本支座取1830mm，满足设计要求。

（2）球冠衬板的隔震曲率半径SR1：按设计要求SR1 取4m。

（3）球冠衬板外圆直径dc：

dc=2·SR·θ+d=2×1830×0.02+1400=1436.6，本支座取1780mm，满足设计要求。

2.3 剪断装置中销钉的参数计算

本支座取30mm，满足设计要求。

2.4 摩擦摆减隔震结构的水平刚度计算

满足设计要求。

2.5 混凝土局部承压应力检算

满足设计要求。

结果显示，大桥用15000kN 和70000kN 的摩擦摆支座各项参数设计，经过检算后均能满足性能指标要求，结构设计合理，性能稳定，符合有关标准的规定。

3 摩擦摆减隔震支座有限元分析

3.1 有限元模型

本分析以70000kN 支座为例，校核70000kN 摩擦摆减隔震球型支座强度是否满足设计要求。为了精准模拟支座弹性支撑边界，支座上下两面建立了60mm 厚的混凝土块，荷载（70000kN）施加在上混凝土块的上表面上；约束下混凝土下表面垂直方向位移并固定其中心点，并在对称面处施加对称边界。

本模型是微量相对滑动，所以部件间的接触都设置成不分离。

3.2 计算结果

（1）整体受力状态：整体应力较大的区域分布在上支座板的外侧及下支座板的中心区域，最大应力为94MPa，整体结构在竖向力下的位移为0.36mm。

（2）上支座板受力：上支座板等效应力在环耐磨板区域出现最大值，最大值为94MPa，从环耐磨板区域向两边逐渐递减。

（3）耐磨板受力：耐磨板等效应力分布图如图2 所示。

图2 耐磨板等效应力云图

（4）球冠衬板受力：球冠衬板中心区域受力均匀，最大等效应力为58MPa。

（5）下支座板受力：下支座板等效应力在中心区域出现最大值，最大值为76.3MPa，从中心区域向两边逐渐递减，具体如图3。

图3 下支座板等效应力云图

通过以上的分析结果可见：70000kN 摩擦摆减隔震球型支座各部件受力状况良好，结构设计合理，满足设计要求，符合有关标准规定。

4 结论

本研究成果可以广泛应用于同类桥梁设计施工中，并因其易于推广、应用范围广阔而具有良好的社会和经济效益。目前国内外对摩擦摆支座的研究取得了不菲的成果，然而该工作仍然有很多问题亟待解决，比如实际工作中具体的压力、温度都会对数据造成影响，技术应用及创新仍任重道远。