劉小軍

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

我國(guó)是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國(guó)家，地震發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、分布范圍廣、傷亡多、災(zāi)害嚴(yán)重，這些地震災(zāi)害，特別是近年發(fā)生的汶川大地震、青海玉樹大地震等，給我們帶來(lái)了慘痛的教訓(xùn)。與此同時(shí)，橋梁作為生命線系統(tǒng)工程中的重要組成部分，一旦損毀、中斷便等于切斷了地震區(qū)的生命線，次生災(zāi)害將十分嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失無(wú)疑將大大加劇。受到這些地震災(zāi)害的教訓(xùn)以后，基于橋梁抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)開始在我國(guó)橋梁工程界得到日益重視，逐步開展了橋梁減隔震設(shè)計(jì)及研究工作。對(duì)于地震作用，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的對(duì)策是結(jié)構(gòu)抗震，即主要考慮為結(jié)構(gòu)提供抵抗地震作用的能力。但是在某些情況下，依靠結(jié)構(gòu)自身來(lái)抵抗地震作用顯的非常困難，需要付出很大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，因此就需要尋求更為有效的抗震手段。摩擦擺支座就是基于抗震要求而研究出的一種新型抗震支座，摩擦擺支座隔震消能原理是利用滑動(dòng)面的設(shè)計(jì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，以大幅度減少結(jié)構(gòu)因地震作用而引起的放大效應(yīng)，通過(guò)支座的滑動(dòng)面與滑塊之間的摩擦來(lái)達(dá)到消耗地震能量［1］。隔震系統(tǒng)的周期和剛度通過(guò)選取合適的滑動(dòng)表面曲率半徑來(lái)控制，阻尼由動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)控制。此外，其特有的圓弧滑動(dòng)面具有自動(dòng)復(fù)位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢復(fù)原位［2］。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)摩擦擺支座的研究和應(yīng)用還很少，本文以一座四跨連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合土木工程通用有限元分析軟件Midas通過(guò)非線性時(shí)程方法分析地震力作用下橋梁使用普通盆式橡膠支座和摩擦擺支座(FPB)對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力性能的影響，探討其減隔震特性和隔震效果。

1 工程概況

本項(xiàng)目橋跨布置共有三聯(lián)，本文以第二聯(lián)為模型進(jìn)行計(jì)算分析，跨徑布置形式為(20+2×25+20)m，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆連續(xù)梁，下部采用矩形墩、柱式墩、樁基礎(chǔ)。場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。該匝道橋場(chǎng)地的20 m之內(nèi)的場(chǎng)地土類型按中軟土考慮，20 m以下的按中硬土考慮，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為B類。

2 基本模型

本橋依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》6．3條建立全橋空間桿系模型，計(jì)算軟件為Midas Civil2010。第二聯(lián)的有限元計(jì)算模型示意圖見圖1，其自振周期及相應(yīng)振型列于表1。

圖1 有限元計(jì)算模型

表1 自振特性一覽表

3 輸入地震波

采用三角級(jí)數(shù)法合成地震波，時(shí)程反應(yīng)分析時(shí)輸入的3條地震波，其中兩條為規(guī)范反應(yīng)譜人工合成的Ⅲ類場(chǎng)地地震波，一條為調(diào)整后的天津強(qiáng)震記錄(見圖2～圖4)。

圖2 第1條人工地震波（W ave-1）

圖3 第2條人工地震波（Wave-2）

4 普通盆式支座彈性時(shí)程反應(yīng)分析

4．1 普通盆式支座布置方案

6號(hào)與10號(hào)墩為聯(lián)間過(guò)渡墩，8號(hào)墩為制動(dòng)墩。支座的平面布置示意圖見圖5。

4．2 時(shí)程分析結(jié)果

在縱向橫向地震作用下，其他橋墩受力規(guī)律基本一致，本文僅對(duì)8號(hào)橋墩進(jìn)行分析反應(yīng)，結(jié)果列于表2，表3。

由表2，表3可以看出，三條地震波作用下，當(dāng)設(shè)置普通盆式橡膠支座無(wú)論是順橋向還是橫橋向墩底都會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩和位移，如果采用該彎矩進(jìn)行配筋計(jì)算，擬定的直徑1．6 m墩身根本無(wú)法配筋，必須加大墩身截面尺寸。而如果加大截面尺寸無(wú)論從美觀還是空間要求上都不是合理選擇。

圖4 天津強(qiáng)震記錄（Wave-3）

圖5 普通盆式支座平面布置

表2 順橋向時(shí)程反應(yīng)(一)

表3 橫橋向時(shí)程反應(yīng)(一)

5 摩擦擺支座隔震的非線性時(shí)程分析

5．1 摩擦擺支座的布置方案

為準(zhǔn)確反映橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、支座、質(zhì)量分布及阻尼特性，摩擦擺支座的平面布置示意圖見圖6。

圖6 摩擦擺隔震支座平面布置

5．2 摩擦擺支座設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

摩擦擺支座的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，列于表4。依據(jù)表4中的各參數(shù)進(jìn)行摩擦擺支座的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

表4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

摩擦擺支座的曲率半徑R=2．5 m，則支座的隔震周期T=，為隔震前結(jié)構(gòu)第1周期(1．57 s)的2倍。采用隔震技術(shù)后橋梁隔震周期延長(zhǎng)，從彈性反應(yīng)譜定性分析，結(jié)構(gòu)響應(yīng)降低。摩擦擺支座的擺動(dòng)剛度:Kfps=W/R，W為隔震支座承受的荷載，取摩擦系數(shù)μ=0．05，水平力Fy=μW。

5．3 摩擦擺支座隔震非線性時(shí)程分析結(jié)果

非線性時(shí)程反應(yīng)結(jié)果列于表5，表6。

表5 順橋向時(shí)程反應(yīng)(二)

表6 橫橋向時(shí)程反應(yīng)(二)

6 摩擦擺支座隔震效果分析

8號(hào)制動(dòng)墩順橋向、橫橋向的摩擦擺支座隔震效果列于表7，表8。隔震率=(普通支座-FPB)/普通支座3 100%。

表7 8號(hào)墩順橋向隔震效果

表8 橫橋向隔震效果

由表7可以看出，當(dāng)前設(shè)計(jì)的摩擦擺支座(FPB)隔震方案能有效地減小8號(hào)制動(dòng)墩的順橋向墩頂位移及墩底彎矩，擬定的墩身截面尺寸采用構(gòu)造配筋即可滿足抗彎要求，表中所列3條地震波下的順橋向隔震率雖然有一定的離散性，在82%～92%之間變化，但隔震效果顯著，發(fā)揮了較好的減震效果。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該橋設(shè)置摩擦擺支座的隔震分析研究，可以得出摩擦擺支座(FPB)隔震方案能有效地減小墩頂位移及墩底彎矩，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)了較大空間，同時(shí)其自有的自恢復(fù)特性，對(duì)于地震烈度較高的城市橋梁不失為最佳選擇。

這些年來(lái)，由于地震災(zāi)害的頻發(fā)，許多橋梁在地震中倒塌，對(duì)橋梁地震的研究分析一直是一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的課題，但由于人類對(duì)地震認(rèn)識(shí)的局限性，所有的抗震分析和計(jì)算也是在逐步的積累，從失敗中汲取經(jīng)驗(yàn)。尤其位于地震烈度高的區(qū)域，橋梁抗震計(jì)算是必不可少的。

［1］范立礎(chǔ)，王志強(qiáng)．橋梁減隔震設(shè)計(jì)［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［2］陳永祁，楊風(fēng)利，劉 林．摩擦擺隔震橋梁的設(shè)計(jì)及應(yīng)用 ［J］．工業(yè)建筑，2009(S1):256-261．