原學明, 凡明杰, 陶泉霖, 劉紅杰

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

?

雙曲面球型減隔震支座在臨河黃河特大橋上的應用

原學明, 凡明杰, 陶泉霖, 劉紅杰

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

摘要：超長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋體型龐大、頭重腳輕,在地震工況下,下部結構的強度要求和變形較大.傳統(tǒng)的結構抗震設計方法是增大橋墩和基礎的截面尺寸以及配筋量,不僅會增加下部結構造價,還會給施工帶來一定的困難.結合臨河黃河特大橋的抗震設計,研究雙曲面球型摩擦擺隔震支座在橋梁抗震設計中的應用,并采用有限元計算程序SAP2000對該橋進行了抗震效果模擬.結果表明,采用雙曲面球型減隔震支座與常規(guī)方案相比,可顯著降低墩底內力,有效地解決了下部結構截面設計難以滿足受力的技術難題,經濟技術優(yōu)勢顯著.

關鍵詞：超長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋;抗震設計;雙曲面球型摩擦擺隔震支座;抗震效果

常規(guī)連續(xù)梁橋抗震設計,順橋向僅靠固定支座墩抗震,具體方法是通過增大固定支座橋墩和基礎的截面尺寸以及配筋量來滿足抗震設計的需要.然而,對于超長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋,如果采用這種抗震措施,固定墩將承受整聯(lián)的地震力,聯(lián)長越長,地震力越大,對橋墩的截面尺寸以及配筋量要求越高.在高震區(qū),這種抗震設計方法不僅會大大增加下部結構的造價,而且在某些情況下增大的固定墩截面及其基礎仍無法抵抗大震工況下的地震力.

雙曲面球形減隔震支座是近年來基于減隔震技術研發(fā)的一種新型抗震支座,亦是高地震區(qū)大跨徑連續(xù)梁橋抗震設計中采用的經濟技術較為顯著的抗震措施[1].這種支座具有高阻尼、低剛度、大變形、耐損傷、耐腐蝕的特性,能夠保證日常的抗風、抵抗制動力、支承豎向荷載等要求.在地震作用下,減隔震支座可以有效地降低上部結構的慣性力,并以各種方式耗散地震能量,從而在不增加橋墩和基礎截面以及配筋量的同時，有效地保護結構主體不出現(xiàn)或只出現(xiàn)輕微的損傷.另外,這些支座的安裝和拆除都非常方便,震后只需對結構適當修補并更換減隔震支座即可恢復橋梁的正常使用功能.

1雙曲面球型摩擦擺隔震支座構造

雙曲面球型摩擦擺隔震支座是通過對技術上非常成熟的球型滑動支座進行改造而開發(fā)的[2].該支座將普通球型滑動支座的水平滑動面改為球面,由一個帶有滑動球面的上支座板、一個具有雙球面的中支座板、一個帶有轉動球面的下支座板和一個環(huán)形套箍組成,如圖1所示.

圖1　雙曲面球型摩擦擺隔震支座構造示意圖

這種支座將普通球型滑動支座的平面摩擦副改造為大半徑的球面摩擦副,使大球面摩擦副在發(fā)生滑動的過程中,不僅因摩擦阻力而耗散地震能量,而且發(fā)生動能與勢能的轉換,控制支座位移.雙曲面球型摩擦擺隔震支座具備3個基本功能:①正常使用功能,即正常使用條件下的豎向和水平剛度可以保障橋梁的日常工作;②周期延長功能,即在地震作用下可通過延長結構的基本周期,避開地震能量集中的頻率范圍,從而減小結構的地震響應;③能量耗散減隔震功能[3].

雙曲面球型摩擦擺隔震支座通過結構自重沿滑動曲面的切向分力提供回復力,幫助上部結構回到初始位置.支座的滯回曲線的基本形狀如圖2所示[4].

圖2　雙曲面球型摩擦擺隔震支座的滯回曲線

2雙曲面球型支座在臨河黃河特大橋上的應用

臨河黃河大橋位于內蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)與鄂爾多斯市杭錦旗交界處的黃河河段上,工程地處北方嚴寒地區(qū),場地地震基本烈度為7度,相應的地震動峰值加速度為0.165g.由于橋址所處的臨河段為游蕩性河段,黃河主流擺動劇烈,主河槽斷面基本在750 m左右,變化范圍為400 m左右.根據(jù)黃河水利委員會《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準(試行)》的相關要求,該河段主河槽孔跨不得小于100 m,因此臨河黃河公路大橋主橋為(59.7 m+11×100 m+59.7 m)的預應力混凝土連續(xù)箱梁橋,一聯(lián)長達1 219.4 m,為典型的超長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋.設計荷載為公路-Ⅰ級,結構抗震性能是該橋設計研究的核心.如按常規(guī)連續(xù)梁橋設計,僅在62#墩設固定支座,固定墩和其基礎將承受很大的地震力,且難以滿足抗震性能要求.為此,在內蒙古臨河黃河公路大橋主橋的抗震設計中采用雙曲面球型減隔震支座.主橋支座具體布置情況見表1.表中:支座符號GD,HX,ZX,DX分別表示固定支座、橫向活動支座、縱向活動支座及多向活動支座;支座KZQZ25000GD,KZQZ25000HX,KZQZ25000ZX,KZQ

Z25000DX在縱向及橫向上均具備減隔震功能,為雙曲面球型減隔震支座;其他類型的支座僅在橫向具備減隔震功能,為單曲面減隔震支座;支座型號的后綴為允許位移量，單位為cm.

表1　臨河黃河大橋雙曲面球型支座布置

3雙曲面球型支座抗震效果模擬

3.1　模型建立

采用有限元計算程序SAP2000對內蒙古臨河黃河大橋結構進行動力反應分析,研究采用雙曲面球型減隔震支座的減震效果,建立的有限元模型如圖3所示.總體坐標系以順橋向為x軸,橫橋向為y軸,豎向為z軸;各單元局部坐標系以單元軸向為1軸(從I節(jié)點指向J節(jié)點),3軸保持水平且垂直于1軸,2軸按右手螺旋準則確定.模型利用空間梁單元模擬主梁、墩柱,考慮恒載作用對結構剛度的影響(P-Δ效應);各墩樁基均采用6×6耦合彈簧模擬.在進行動力特性及動力反應分析計算時,墩-梁連接關系以及設計的6種工況見表2.

表2　墩梁連接關系

表2中:Δx為順橋向約束,Δy為橫橋向約束,Δz為豎向約束；θx為繞單元坐標系x軸方向的扭轉約束，θy為繞單元坐標系y軸方向的彎曲約束,θz為繞單元坐標系z軸方向的彎曲約束;“0”表示無主從約束,“1”表示主從約束,“2”表示摩擦支座,“3” 表示雙曲面球型支座.

圖3　結構有限元計算模型

3.2　地震動輸入

根據(jù)《內蒙古臨河黃河公路大橋工程場地地震安全性評價報告》,抗震分析中取50年63%和50年2%超越概率下的加速度反應譜和人工擬合加速度時程作為地震荷載.地震作用加速度反應譜如圖4和圖5所示,人工擬合加速度時程如圖6和圖7所示.其中,E1為工程場地重現(xiàn)期較短的地震作用,對應50年63%超越概率地震;E2為工程場地重現(xiàn)期較長的地震作用,對應50年2%超越概率地震.

圖4　水平向加速度反應譜

圖5　豎向加速度反應譜

圖6　50年63%水平向人工擬合加速度時程曲線

圖7　50年2%水平向人工擬合加速度時程曲線

3.3　模擬結果分析

3.3.1縱向+豎向組合下地震響應

采用不同方法,對結構在不同工況下的地震反應進行了分析比較,對E1超越概率地震作用下的計算結果均乘以1.3的系數(shù).反應譜分析,取前400階振型,按CQC(Complete Quadratic Combination)方法進行組合.時程分析地震采用縱向+豎向輸入方式,方向組合采用SRSS(Square Root of the Sum of the Squares)方法.工況1—3下各橋墩墩底彎矩計算結果見表3.

表3　橋墩控制截面彎矩最大值(縱向+豎向輸入)　kN·m

由表3可知:工況1和工況2的計算結果相近,其中固定墩62#墩,墩底彎矩在E2地震作用時,工況2下達到了(5.668E+05)kN·m,遠遠大于其他非固定墩；當采用雙曲面球型減隔震支座(工況3)時,在E2地震作用下，固定墩62#墩的墩底彎矩為(7.017E+04)kN·m,跟其他非固定墩相當.墩底彎矩較工況1和工況2大幅降低,有效地減少了墩底截面尺寸和配筋.

3.3.2橫向+豎向組合下地震響應

工況4—6下,各橋墩墩底彎矩計算結果見表4.

表4　橋墩控制截面彎矩最大值(橫向+豎向輸入)　kN·m

由表4可知：工況4和工況5的情況下計算結果相近,其中各墩墩底彎矩相差不大；在E2地震作用下,工況4下最大墩底彎矩為(2.473E+05)kN·m;當采用雙曲面球型減隔震支座(工況6)時,墩底彎矩大幅減小,過渡墩最大墩底彎矩為(9.429E+04)kN·m,墩底彎矩較工況4和工況5大幅降低,有效地減少了墩底截面尺寸和配筋.

4結語

1)臨河黃河公路大橋主橋順橋向在62#固定墩與相鄰的61#墩、63#墩同時采用雙曲面球型減隔震支座,橫橋向全部采用球型減隔震支座,這使得整個主橋上部結構自振周期延長,達到了減隔震效果.

2)采用雙曲面球型減隔震支座的方案相比常規(guī)方案,能夠顯著降低墩底內力,有效解決了下部結構截面設計難以滿足受力的技術難題,經濟技術優(yōu)勢顯著,這種方案可作為超長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋抗震設計的參考與借鑒.

參考文獻

[1]重慶交通科研設計院.JTG/T B02-01—2008 公路橋梁抗震設計細則[S].北京:人民交通出版社,2008.

[2]同濟大學土木工程防災國家重點實驗室.內蒙古臨河黃河公路大橋抗震性能研究報告[R].上海:同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,2009.

[3]彭天波,李建中,范立礎.雙曲面球型減隔震支座的開發(fā)及應用[J].同濟大學學報(自然科學版),2007,35(2):170-180.

[4]鐘勇.華陽特大橋主橋雙曲面球型減隔震支座的抗震設計[J]．公路,2012(12):28-32.

(責任編輯：喬翠平)

[5]中交公路規(guī)劃設計院.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

Application of Double Spherical Anti-seismic Bearing in Linhe Yellow River Bridge YUAN Xueming, FAN Mingjie, TAO Quanlin, LIU Hongjie

(Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Abstract:A continuous girder bridge with super-long unit and large span is large-size and top-heavy, under the condition of earthquake, the strength requirement and deformation of substructure are bigger. The traditional measures of structure anti-seismic design are to increase the quantity of reinforcements as well as the size of piers and foundation sections, which will increase the cost of substructure and bring some difficulties to the construction. Combining with the anti-seismic design of Linhe Yellow River Bridge, the application of double spherical anti-seismic bearing to the anti-seismic design of bridges was researched, and the anti-seismic effect was simulated with the finite element program SAP2000. The results show that comparing with the traditional scheme, the scheme of double spherical anti-seismic bearing can obviously decrease the internal force of piers′ bottom, and can effectively resolve the technical problem that the sectional design is difficult to meet the requirement of force.

Keywords:continuous girder bridge with super-long unit and large span; anti-seismic design; double spherical anti-seismic bearing; anti-seismic effect

中圖分類號：U442.5+5

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5634(2015)02-0030-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.007

作者簡介：原學明(1981—),男,河南焦作人,工程師,主要從事橋梁設計方面的研究.

收稿日期:2015-02-03