余偉娜，林 玉，于訓(xùn)濤

（1.浙江省湖州市交通工程處，浙江湖州330500；2.浙江省樂清市路橋工程有限公司，浙江樂清 325600；3.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近幾十年來，減隔震技術(shù)作為提高結(jié)構(gòu)抗震性能的一種技術(shù)得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。減隔震技術(shù)通過采用減隔震裝置來盡量將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動或支座運(yùn)動分離開來，大大減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量[1]。

橋梁減隔震設(shè)計中最重要的是減隔震裝置的合理設(shè)計，目前應(yīng)用最為廣泛的減隔震裝置是減隔震支座。一個合適的減隔震支座應(yīng)能支承結(jié)構(gòu)，延長周期和增加阻尼。在選擇一個隔震系統(tǒng)時，還應(yīng)從正常使用條件出發(fā)，仔細(xì)考慮隔震裝置其它的一些參數(shù)，如：恒載下的承載能力、變形能力、變形后的自復(fù)位能力，以及環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性等。常用的減隔震支座有分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動摩擦型減隔震支座和拉索減震支座等。

由于鉛芯橡膠支座生產(chǎn)使用過程中對環(huán)境產(chǎn)生污染；摩擦型支座價格較高，一般用于大跨度橋梁中，在中小跨徑橋梁中應(yīng)用較少；拉索支座成功克服了傳統(tǒng)支座限位能力不強(qiáng)的弱點(diǎn)，能最大程度避免地震中落梁等現(xiàn)象的發(fā)生，并在地震后可復(fù)位。此外，拉索減震支座制造技術(shù)成熟，相較于同類型產(chǎn)品造價也相對較低。綜合對比環(huán)保因素和經(jīng)濟(jì)因素，考慮到本工程自身特點(diǎn)，最終選用的是拉索減震支座。

減隔震支座對比見表1。

本文針對某人行天橋，考慮順橋向和橫橋向地震動輸入，并采用非線性時程分析方法計算地震響應(yīng)，分析拉索減震支座在人行天橋中應(yīng)用的減隔震效果，對拉索支座參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出相應(yīng)的結(jié)論。

表1 減隔震支座對比表

1 拉索減震支座簡介

拉索減震支座是近些年新興的一種摩擦型減隔震支座（見圖1），將普通支座與拉索裝置限位性能有機(jī)結(jié)合起來。當(dāng)正常使用狀態(tài)時候，拉索不發(fā)揮限位功能，支座就是一般的球鋼支座；在地震下，支座滑動到一定范圍時候，拉索開始提供額外約束，限制上部梁體與下部橋墩之間的相對位移，避免發(fā)生落梁[2-4]。

圖1 拉索減震支座

拉索減震支座試驗(yàn)的滯回曲線見圖2。有限元模型中拉索支座恢復(fù)力模型見圖3，圖中K1為非線性分析工況的屈服前剛度，K2為非線性分析工況拉索水平剛度，D為拉索減震支座的自由程。當(dāng)支座移位不超過自由程位移時，拉索不發(fā)揮限位功能，恢復(fù)力模式應(yīng)與盆式橡膠支座恢復(fù)力模式一致；當(dāng)支座移位超過自由程位移后，拉索提供額外約束，此時恢復(fù)力曲線的斜率為拉索的約束剛度。

圖2 拉索減震支座滯回曲線

圖3 有限元模型中拉索支座恢復(fù)力模型

2 算例分析

本章以某人行天橋?yàn)楸尘?，對上述減隔震裝置的應(yīng)用及其減震效果進(jìn)行了分析。人行天橋主橋采用兩跨連續(xù)梁兩端帶懸臂結(jié)構(gòu)，跨徑布置為5 m+34 m+20 m+5 m=64 m；主梁采用鋼箱梁，寬度為7 m，梁高1.4 m。橋墩采用墻式實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用φ800 mm鉆孔灌注樁。梯道橋采用三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為鋼板梁,采用φ800 mm樁+φ600 mm柱的基礎(chǔ)形式。主梁材料為Q345C，橋墩材料為C35混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30混凝土。

結(jié)構(gòu)分析采用有限元軟件Midas Civil，計算模型中主梁、橋墩、承臺、梯道橋、立柱均離散為空間梁單元，支座采用非線性連接單元模擬。邊界條件考慮梯道橋?qū)τ谥鳂虻挠绊?，樁土相互作用采用承臺底6×6剛度矩陣模擬。計算模型見圖4，主橋橋墩從左至右編號為P1、P2、P3。

該橋位于地震烈度Ⅶ度區(qū)，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為丙類，特征周期0.65 s，最大地震峰值加速度為0.1 g。通過擬合得到三條人工地震波，經(jīng)過驗(yàn)證三條人工波時程相關(guān)系數(shù)的絕對值均小于0.1，和目標(biāo)反應(yīng)譜吻合較好。最終采用這三條人工波進(jìn)行地震響應(yīng)計算，計算結(jié)果取三條波計算結(jié)果的包絡(luò)值。

圖4 三維模型圖

3 拉索支座參數(shù)分析

常規(guī)設(shè)計下，縱橋向主橋P2墩為固定墩，兩個邊墩為活動墩；橫橋向所有墩均為固定墩。由于所處場地的地震動峰值加速度較大，固定墩的地震響應(yīng)較大，往往需要增加截面和配筋以提高構(gòu)件的抵抗地震的能力，較不經(jīng)濟(jì)，故應(yīng)考慮采用減隔震設(shè)計。模擬減隔震方案初步定為：P1～P3墩均布置拉索減震支座，順橋向和橫橋向初始自由行程均為0.30 m，在Midas Civil軟件中，拉索減震支座采用滯回單元+勾單元+間隙單元組合模擬。拉索支座參數(shù)見表2。

表2 減隔震支座參數(shù)

為了了解拉索支座對結(jié)構(gòu)的減隔震效果，本文首先比較了常規(guī)設(shè)計下和采用拉索支座后的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，見表3。

表3 常規(guī)設(shè)計與減隔震設(shè)計地震響應(yīng)對比

從表3可以看出，順橋向地震動輸入時，常規(guī)設(shè)計中P2為固定墩，橋墩的剪力和彎矩均明顯大于其余墩；而采用減隔震設(shè)計后，三個墩共同承擔(dān)地震力，三個墩的墩底剪力和彎矩相近，原固定墩P2墩的地震響應(yīng)明顯減小。橫橋向地震動輸入時，常規(guī)設(shè)計中三個橋墩橫向均全固定，地震響應(yīng)在三個墩基本呈現(xiàn)均勻分配；采用減隔震方案設(shè)計后，由于支座摩擦延長了結(jié)構(gòu)的橫向周期，故三個橋墩的地震響應(yīng)分配沒有變化，但是數(shù)值大幅度減小。

圖5為減隔震設(shè)計拉索支座的支座滯回曲線，可以看出與拉索支座恢復(fù)力模型吻合，證明了程序中支座的模擬準(zhǔn)確性。

圖5 拉索支座滯回曲線圖

為了得到更優(yōu)化的支座參數(shù)，本文擬定了以下五個減隔震方案，P1～P3墩均布置拉索減震支座，順橋向和橫橋向初始自由行程相同，五個方案的自由程取值從0.20～0.50 m。拉索減震支座參數(shù)見表4。

表4 減隔震方案參數(shù)表

從圖6～圖7可以看出，隨著拉索自由程的增大，縱向墩底彎矩降低幅度不大；橫向墩底彎矩近似成線性下降。利用反應(yīng)譜曲線可以解釋這一點(diǎn)：自由程越大，支座的滑動范圍也就越大，支座耗能也就越多，越能夠延長結(jié)構(gòu)的周期。本橋的縱向振動的周期離反應(yīng)譜曲線平臺段較遠(yuǎn)，故延長周期后地震響應(yīng)的減小不是很大；而橫向振動的周期靠近反應(yīng)譜曲線平臺段，所以延長周期后，可以看到地震響應(yīng)下降明顯。

圖6 墩底縱向彎矩對比圖

圖7 墩底橫向彎矩對比圖

對于拉索支座本身而言，也要滿足地震下不被破壞，圖8～圖9比較了縱向輸入和橫向輸入下，自由程變化對拉索支座的位移的影響?？梢钥闯觯S著拉索支座自由程增大，縱向輸入和橫向輸入的支座位移都呈線性變化，主要位移為拉索自由程，拉索的自身的拉伸變形很小，支座位移都在容許的范圍內(nèi)。

圖8 支座縱向位移對比圖

圖9 支座橫向位移對比圖

綜上，最終本工程選取的方案5，即自由程選取的是0.40 m，并驗(yàn)算了此工況下結(jié)構(gòu)的墩底截面、樁頂截面和支座能力，驗(yàn)算結(jié)果均滿足要求。

4 結(jié)論

本文以某人行天橋?yàn)檠芯繉ο螅治隽艘环N拉索減震支座在該類橋梁減隔震設(shè)計中應(yīng)用的可能性。建立了該橋三維有限元模型進(jìn)行分析，對拉索支座的減隔震效果進(jìn)行了評價，并通過優(yōu)化拉索支座，選取了合適的支座參數(shù)，最終結(jié)構(gòu)滿足要求。

（1）地震作用下，采用常規(guī)設(shè)計的固定墩的地震響應(yīng)較大，驗(yàn)算很難通過。采用拉索減震支座后，地震響應(yīng)平均到各個橋墩，同時改變結(jié)構(gòu)周期，減小地震響應(yīng)。

（2）本文將拉索減震支座應(yīng)用到人行橋中，既發(fā)揮了支座滑動摩擦耗能的特點(diǎn)，又通過拉索的限位保證了不會發(fā)生落梁。

（3）拉索自由程直接影響拉索支座的減震性能，通過對比多種自由程參數(shù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于本橋而言，適當(dāng)增加支座的拉索自由程能提高支座的減震效果。

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

[2]袁萬城,王斌斌.拉索減震支座的抗震性能分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(8):1127-1131.

[3]袁萬城,韋正華,曹新建,等.拉索減震支座及橋梁抗震設(shè)計應(yīng)用研究[J].工程力學(xué),2011(28):204-209.

[4]袁萬城,曹新建,榮肇駿.拉索減震支座的開發(fā)與試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2010,31(12):1594-1600.