蔡 正

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 西安 710043)

?

兩種減隔震支座性能對比研究

蔡 正

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 西安 710043)

通過對摩擦擺支座及彈塑性鋼阻尼支座兩種不同類型的減隔震支座的抗震性能進行對比，選擇適合項目要求的支座類型。對比結(jié)果表明：兩種減隔震支座均能夠有效延長橋梁結(jié)構(gòu)自振周期，支座橫向剛度較小的摩擦擺支座更有利于周期的延長，同時產(chǎn)生的墩頂剪力也較??；對于墩底截面及基頂截面的彎矩和剪力，在墩高較低時橫向剛度小的摩擦擺支座減隔震性能較好，而墩高大于20 m時，橫向剛度大的彈塑性鋼阻尼支座更有優(yōu)勢。

橋梁；減隔震支座；時程分析；彈塑性鋼阻尼支座；摩擦擺支座

隨著國家經(jīng)濟實力和技術(shù)能力的不斷提高，基礎(chǔ)建設(shè)的標準也隨之不斷改進。在橋梁建設(shè)領(lǐng)域，在原有公路、鐵路抗震設(shè)計規(guī)范之后，相繼有《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》等發(fā)布，抗震設(shè)防水準也逐漸改進為三水準設(shè)防、兩階段設(shè)計，抗震設(shè)計日益成為橋梁設(shè)計中的重點，其中采用減隔震支座是實現(xiàn)橋梁抗震性能目標的重要手段[1- 4]。

我國常用的減隔震支座有抗震型盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座等，近年來雙曲面球型支座、黏滯阻尼型支座、各類彈塑性鋼支座等新型支座也為橋梁工程提供了新的選擇，其中鉛芯橡膠支座及高阻尼橡膠支座的橫向位移難以控制，軌道交通工程較少采用，而黏滯阻尼型支座成本較高，一般應(yīng)用于較大噸位的重要橋梁。由于減隔震支座成本高、技術(shù)復雜，以往常用于跨度較大且具有重要意義的橋梁，目前大規(guī)模使用減隔震支座的軌道交通工程在國內(nèi)比較少見，可以借鑒的工程實例不多[5-8]。

西安北至機場城際軌道交通項目場址位于8度地震區(qū)，是連接西安咸陽國際機場、鐵路北客站兩大區(qū)域交通樞紐的快捷通道，對震后人員及物資運輸意義重大，對橋梁抗震性能特別是震后能夠快速恢復運營提出了較高要求。為了達到不需修復或經(jīng)簡單修復即可立即使用的抗震目標，必須保護難以修復的鋼筋混凝土橋墩及基礎(chǔ)，設(shè)計采用減隔震支座作為橋梁的主要抗震措施，而選取合適的減隔震支座對于橋梁的抗震設(shè)計起著關(guān)鍵作用。本項目將減隔震支座應(yīng)用于全線橋梁結(jié)構(gòu)，特別是在常規(guī)簡支梁結(jié)構(gòu)上的大規(guī)模采用在國內(nèi)很少見，為軌道交通抗震設(shè)計提供了工程樣本，也為類似工程的設(shè)計提供了借鑒及參考。

由于西安北至機場城際軌道交通項目大部分橋梁結(jié)構(gòu)是30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，因此著重對該梁使用的1 500 kN支座進行比選，參與比選的一種為某型號的摩擦擺減隔震支座，另一種為某型號的彈塑性鋼阻尼支座。

1 減隔震支座工作機理

單墩力學模型可以簡化為橋墩及梁部集中質(zhì)量(見圖1)，無減隔震措施的系統(tǒng)其質(zhì)量、剛度、阻尼分別是M1、K1、C1；設(shè)置減隔震措施的系統(tǒng)其質(zhì)量、剛度、阻尼分別是M2、K2、C2，由于采取減隔震措施的剛度遠小于橋墩剛度，因此系統(tǒng)發(fā)生的主要是剪切變形。

圖1 單墩力學簡化模型

設(shè)ξ1、ξ2為減隔震前后的阻尼比，則結(jié)構(gòu)減隔震前后的振動周期比為

可見，減小系統(tǒng)剛度及增大阻尼比均可以延長系統(tǒng)的自振周期，降低橋梁地震效應(yīng)，橋梁減隔震技術(shù)即是通過減小支座剛度及增加阻尼達到減隔震目的。

2 減隔震支座的主要類型

目前，橋梁減隔震支座主要分為兩大類：一類設(shè)置有滑動摩擦面，地震時通過滑移延長橋梁的自振周期，降低橋梁地震效應(yīng)，同時在滑動過程中通過摩擦及其他形式的能量轉(zhuǎn)化耗散地震能量，從而達到減隔震的效果。代表性的產(chǎn)品是摩擦擺支座、四氟乙烯滑動支座等；另一類通過自身的材料或構(gòu)造特性產(chǎn)生變形，不僅可降低橋梁地震效應(yīng)，而且能提供更有效的耗能機制，耗散地震產(chǎn)生的能量，從而起到減輕地震對結(jié)構(gòu)的破壞程度，代表性的產(chǎn)品是鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座以及各種彈塑性鋼阻尼裝置等。

3 所選取的兩種支座參數(shù)

減隔震支座有2個重要指標[9-11]：結(jié)構(gòu)最大加速度反應(yīng)及支座最大位移。前者反應(yīng)了減震效果，主要體現(xiàn)在梁部施加在墩頂水平力的大小，后者反映了結(jié)構(gòu)需負擔的變形。

本項目簡支梁采用的支座規(guī)格為1 500 kN，為避免梁縫過大造成橋面結(jié)構(gòu)成本增加及墩頂構(gòu)造尺寸加大，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，將支座地震最大位移控制在100 mm以內(nèi)。擬采用的減隔震支座一種為摩擦擺減隔震支座(以下簡稱“摩擦擺支座”)，另一種為某型號以彈塑性鋼阻尼作為耗能材料的鋼支座(以下簡稱“鋼耗能支座”)，兩種支座滯回曲線見圖2。

圖2 荷載位移滯回曲線

由于構(gòu)造的特點，摩擦擺支座容易使支座位移量較大，本次選取的支座最大位移量為100 mm，其初始剛度較小，滯回曲線比較狹長，優(yōu)點是震后支座易回位，缺點是構(gòu)造復雜，成本高；而鋼耗能支座不易取得較大的位移量，本次選取的支座最大位移量為65 mm，其初始剛度大，滯回曲線比較飽滿，優(yōu)點是構(gòu)造簡單、成本較低，缺點是震后不易回位。

4 結(jié)構(gòu)分析模型及地震激勵

本項目橋梁標準結(jié)構(gòu)體系采用30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用花瓶式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩墩高最高為26 m，橋墩線剛度見表1。

表1 橋墩線剛度

場址位于地震8度區(qū)，多遇地震峰值加速度為0.07 g，設(shè)計地震峰值加速度為0.20 g，罕遇地震峰值加速度為0.38 g，場地類別為一區(qū)Ⅱ類，反應(yīng)譜特征周期0.35 s。計算模型采用Midas/civil有限元軟件進行模擬，將樁基等效為彈簧，考慮相鄰簡支梁的影響，在多遇地震作用下，對簡支梁按反應(yīng)譜法計算；在罕遇地震作用下，對簡支梁按非線性時程反應(yīng)分析法計算，計算模型見圖3。

圖3 計算模型

《地震安全評價報告》根據(jù)橋址場地條件，考慮相位隨機性影響生成了3條具有隨機相位的人工地震波，進行罕遇地震橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析時作為地震動輸入，圖4所示為其中1條。

圖4 第1條地震波時程曲線

5 計算結(jié)果及分析

通過不同橋墩高度下橋梁自振周期、橋墩剪力及彎矩等項目的計算結(jié)果，對兩種支座的性能進行比較分析。

1) 將采用兩種減隔震的橋墩與采用普通支座橋墩的自振周期進行對比。為控制橋墩種類，橋墩按照墩高選定幾種結(jié)構(gòu)尺寸，所以橋墩線剛度隨墩高出現(xiàn)反復變化，橋墩線剛度及橋梁自振周期對比見圖5、6，此處橋墩線剛度單位采用1×106N/cm。從計算結(jié)果可以看到，隨著橋墩線剛度增大，橋梁自振周期減小，反之亦然，所以采用3種支座的橋梁自振周期均出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，并在后面剪力及彎矩的計算結(jié)果中也有類似的趨勢。計算結(jié)果表明，兩種減隔震支座均能夠有效延長橋梁的自振周期，比采用普通支座的橋梁曲線平滑，橋梁高度的變化對周期的影響不大，其中摩擦擺支座由于剛度小，對延長橋梁自振周期的效果更好。

圖5 縱向自振周期對比

圖6 橫向自振周期對比

2) 對比地震時墩頂、墩底的剪力，見圖7、8，兩種減隔震支座的墩頂剪力隨墩高的增加變化較為平緩，但高16 m的橋墩剪力突然增大，明顯反映了線剛度對剪力的影響。采用摩擦擺支座的橋墩墩頂剪力明顯較??；而橋墩的墩底剪力則變化較大，15 m高以下的橋墩墩底剪力變化幅度較小，采用鋼耗能支座的橋墩墩底剪力較大，而高15～26 m的橋墩墩底剪力變化幅度明顯增大，并且采用摩擦擺支座的橋墩墩底剪力增加得更快，超過了鋼耗能支座。

圖7 縱向剪力對比

圖8 橫向剪力對比

3) 墩底彎矩的變化趨勢與墩底剪力基本類似，見圖9、10，但彎矩主要隨墩高變化，橋墩線剛度對墩底彎矩的影響不明顯。墩高在20 m以下時，采用鋼耗能支座的橋墩墩底彎矩較大；墩高在20 m以上時，采用摩擦擺支座的橋墩墩底彎矩更大。出現(xiàn)這種情況的原因除了鋼耗能支座能夠更好地吸收能量外，主要是橫向剛度小的摩擦擺支座對墩頂產(chǎn)生的約束小，但是此時橋墩的自振周期更接近橋梁結(jié)構(gòu)固有的振動周期，對于自重大、自振周期較長的高墩，摩擦擺支座的減震效能下降得明顯。

圖9 縱向彎矩對比

圖10 橫向彎矩對比

6 結(jié)論

1) 兩種減隔震支座均能夠有效地延長橋梁的自振周期，橫向剛度較小的摩擦擺支座更有利于周期的延長，同時產(chǎn)生的墩頂剪力也較小，并且周期的變化趨勢與橋墩線剛度的變化趨勢相反。

2) 采用普通支座的橋梁自振周期隨墩高變化明顯，而采用減隔震支座的橋梁自振周期則比較接近，因此采用減隔震支座時各墩梁振動趨于同向，有利于控制梁縫寬度。

3) 對于橋墩及基礎(chǔ)設(shè)計，需要控制墩底截面及基頂截面的彎矩和剪力，在墩高較低時橫向剛度小的摩擦擺支座減隔震性能較好，而墩高大于20 m時，橫向剛度大的鋼耗能支座更有優(yōu)勢。

4) 經(jīng)過計算對比表明，橫向剛度更小的摩擦擺支座在橋墩較低時減隔震性能較優(yōu)，鑒于本項目大部分橋墩墩高不超過20 m，并且摩擦擺支座震后恢復較為方便，本項目橋梁減隔震設(shè)計采用了 摩 擦 擺支座。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50111—2006[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁抗震設(shè)計細則：JTG/TB 02—01—2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范：CJJ 166—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50909—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[5] 劉享.鉛芯橡膠支座簡支梁橋減隔震控制[D].北京：北京交通大學，2006.

[6] 范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[7] 莊軍生.橋梁減震、隔震支座和裝置[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[8] 焦馳宇，李建中.橋梁新型減隔震支座的研究進展[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(6)：83-87.

[9] 王麗，閆維明，閻貴平.鉛芯橡膠支座參數(shù)對隔震橋梁動力響應(yīng)的影響[J].北京工業(yè)大學學報，2001，30(9)：304-308.

[10] 張常勇，鐘鐵毅，季文剛.鐵路連續(xù)梁橋橫向減隔震支座參數(shù)研究[J].中國鐵道科學，2011，32(4)：19-22.[11] 顧正偉，鐘鐵毅，張貞閣.雙曲面球型減隔震支座曲線連續(xù)梁橋的減隔震[J].中國鐵道科學，2011，32(3)：47-50.

(編輯：郝京紅)

Comparative Research on Seismic Performance of Two Types of Isolators

Cai Zheng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi′an 710043)

Through comparative research on the seismic performance of the two different types of bearing-friction pendulum bearing and elastoplastic steel damping bearing, the reasonable type of bearing for the project is selected. Comparative results show that: the two isolation bearing are both able to effectively extend the bridge structure vibration period; the friction pendulum bearing with smaller lateral rigidity is more conducive to extend the period, while producing less top-of-the-pier shear force; for the cross-sectional bending square and shear forces of pier bottom and the top, in lower pier, the friction pendulum bearing with smaller lateral rigidity shows better performance, while when the pier reaches above 20 meters in height, the elastoplastic damping steel bearingwith greater lateral stiffness has more advantages.

bridge; the bearing of shock absorption and vibration isolation; time-history response analysis; elastoplastic steel damping bearing; friction pendulum bearing

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.022

2015-10-22

2016-01-02

蔡正，男，本科，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作，1010456891@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)04-0098-04