張文學(xué)， 趙汗青， 趙 旭， 張 紅

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 北京 100124；2. 北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

連續(xù)梁橋具有整體剛度大、行車平順、維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，在我國鐵路工程中廣泛應(yīng)用。然而連續(xù)梁橋一般每聯(lián)只設(shè)一個(gè)固定墩，其他各墩均為活動(dòng)墩。在縱向地震作用下，上部結(jié)構(gòu)的地震作用幾乎全部由單個(gè)固定墩承擔(dān)，這使得固定墩的能力往往難以滿足抗震需求。雖然通過在橋墩指定位置設(shè)置塑性鉸，使橋墩在罕遇地震情況下發(fā)生塑性變形，可以降低結(jié)構(gòu)的整體地震響應(yīng)[1]，但由于鐵路橋墩截面較大，配筋率較低，很難實(shí)現(xiàn)塑性鉸設(shè)計(jì)。其次，即便通過精心設(shè)計(jì)，在強(qiáng)震作用下固定墩在指定位置形成了塑性鉸，避免結(jié)構(gòu)倒塌震害的發(fā)生，但因殘余變形過大及主要承重構(gòu)件破損嚴(yán)重等原因，致使災(zāi)后修復(fù)極為困難，甚至不得不拆除重建[1]。為此有學(xué)者提出通過支座實(shí)現(xiàn)減隔震的抗震設(shè)計(jì)思想，在墩頂安裝減隔震支座隔絕地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。目前在實(shí)際工程中使用較多的減隔震支座有鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座、高效阻尼型支座和牽拉限位支座等[1]。楊喜文等[2]研究認(rèn)為摩擦支座并聯(lián)阻尼器或雙曲面球型減隔震支座均可減小固定墩的地震響應(yīng)。袁萬城等[3-4]提出的拉索減震支座，在理論研究與多種結(jié)構(gòu)形式的橋梁實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出較好的減震效果。黎雅樂等[5]設(shè)計(jì)了1個(gè)1∶3的連續(xù)梁橋振動(dòng)臺(tái)模型，進(jìn)行了強(qiáng)震作用下連續(xù)梁橋地震響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究表明采用高阻尼橡膠支座可以有效控制邊墩的地震響應(yīng)，降低落梁風(fēng)險(xiǎn)。Kataria等[6]在連續(xù)彎橋上將半主動(dòng)變剛度阻尼器與鉛芯橡膠支座組合使用，并取得了很好的減震效果。Alam等[7]和Hedayati等[8]分別對(duì)不同支座安裝形狀記憶合金限位器后的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：形狀記憶合金限位器的存在能顯著減小板式橡膠支座的失效概率，增加高阻尼橡膠支座的側(cè)向剛度，并具備自動(dòng)復(fù)位的功能。Lu等[9]結(jié)合靜力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)后的搖擺支座能有效的減小近斷層地震引起的支座位移。綜上所述，在墩頂安裝減隔震支座可以阻止地震能量傳遞到連續(xù)梁橋的上部結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但仍不能減小橋墩自身引起的地震響應(yīng)，特別是對(duì)于超高墩不能有效保證橋墩在地震作用下不會(huì)發(fā)生損傷。

近些年有學(xué)者提出基底減隔震技術(shù)，即將墩底和承臺(tái)之間采用分離式設(shè)計(jì)，同時(shí)在分離界面附近安裝一些耗能裝置[10]。Jonsson等[11]依托冰島某座370 m震損橋梁，提出基底隔震代替原有的鉛芯橡膠支座的改進(jìn)設(shè)計(jì)。Lolil等[12]實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，地基土具有一定的能量耗散機(jī)制，搖擺橋墩具有顯著的隔震效果。王軍文等[13]根據(jù)基于性能抗震設(shè)計(jì)的思想，提出一種搖擺式預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的抗震設(shè)計(jì)方法。楊浩林[14]將傳統(tǒng)橋梁樁基礎(chǔ)的承臺(tái)一分為二，使承臺(tái)上部能夠在地震作用下?lián)u擺，從而在基礎(chǔ)部位隔斷地震傳播途徑，達(dá)到減隔震的目的。夏修身等[15-16]對(duì)墩底隔震技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，先后提出了墩底隔震簡化計(jì)算的兩彈簧模型和考慮限位裝置的三彈簧模型，研究表明采用墩底搖擺隔震技術(shù)具有較好的隔震效果，可以實(shí)現(xiàn)墩底最大彎矩不受地震輸入特性的影響，且可以同時(shí)保護(hù)橋墩和基礎(chǔ)。但進(jìn)一步的研究表明采，用平面接觸的基地?fù)u擺隔震技術(shù)的減隔震效果受近場豎向地震作用和提離彈簧剛度等參數(shù)影響明顯[17-19]。

雖然已有的研究表明采用墩底減隔震技術(shù)具有很好的減隔震效果，但目前研究多采用平面或球形接觸面的基底減隔震結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)采用平面接觸基底減隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)是不連續(xù)的，存在明顯的“反磕”現(xiàn)象，甚至?xí)虼嗽龃蠼Y(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。而采用球形接觸面的基底減隔震結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)是連續(xù)的，也可以有效降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)，但結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)過大，且不具備自復(fù)位功能，震后殘余變形過大。為此，從鐵路連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)出發(fā)，提出一種新型自復(fù)位墩底減隔震結(jié)構(gòu)，在正常使用情況下該結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定剛度，可以滿足安全行車需求；在強(qiáng)震作用下，固定墩墩底與承臺(tái)之間發(fā)生相對(duì)往復(fù)搖擺，不僅起到隔震效果，而且可以通過往復(fù)摩擦搖擺消耗部分地震能量；更重要的是該墩底減隔震結(jié)構(gòu)具有震后自復(fù)位功能，便于震后修復(fù)與加固。以典型鐵路三跨連續(xù)梁橋?yàn)槔?，建立非線性有限元模型，系統(tǒng)研究了墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震機(jī)理及其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減隔震效果的影響。

1 連續(xù)梁橋固定墩墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)

1.1 墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)由固定墩、承臺(tái)、橢圓面馬蹄、橢圓面馬蹄窩和基礎(chǔ)組成，見圖1。橋墩底部的橢圓面馬蹄與承臺(tái)上方的橢圓面馬蹄窩處于隔離狀態(tài)。在正常使用情況下，橋墩可在豎向自重作用下與承臺(tái)之間保持相對(duì)固定以滿足正常使用需求。地震突發(fā)時(shí)，固定墩底的馬蹄與承臺(tái)馬蹄窩之間發(fā)生相對(duì)滑移和擺動(dòng)，整個(gè)連續(xù)梁橋的上部結(jié)構(gòu)和固定墩一起繞馬蹄窩做往復(fù)擺動(dòng)，不僅起到隔震效果，還可利用固定墩墩底馬蹄與承臺(tái)馬蹄窩之間摩擦滑移而耗散部分地震能量，起到減震效果，進(jìn)而降低固定墩的地震需求，提高連續(xù)梁橋的整體抗震性能。地震動(dòng)峰值過后，在結(jié)構(gòu)自重和地震余能的共同作用下，上部結(jié)構(gòu)和固定墩均能自動(dòng)恢復(fù)到初始平衡位置，有利于震后及時(shí)通車和災(zāi)后維修加固。

1.2 墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震效果

為驗(yàn)證墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震效果，以客運(yùn)專線(48+80+48)m標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行了減隔震分析，見圖2。連續(xù)梁的混凝土標(biāo)號(hào)為C50，混凝土彈性模量Eb=3.45×1010N/m2，總重量W=73 138 kN；橋墩混凝土標(biāo)號(hào)為C30，混凝土彈性模量Ep=3.00×1010N/m2，取墩高H=36 m，各橋墩的縱向抗彎慣性矩I=118.54 m4。采用ANSYS軟件分別建立2種分析模型，模型1為常規(guī)連續(xù)梁橋模型(暫不考慮地震作用下的塑性變形)，模型中1#、3#、4#墩為活動(dòng)墩，2#墩為固定墩，4個(gè)橋墩墩底均簡化為固結(jié)。模型2為墩底自復(fù)位減隔震模型，模型中1#、3#、4#墩為活動(dòng)墩，墩底簡化為固結(jié)，2#固定墩墩底采用自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)。模型1和模型2均不考慮樁土相互作用。模型中連續(xù)梁和橋墩均采用線性梁單元BEAM3模擬。模型2的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)采用2D面單元PLANE82模擬，馬蹄與馬蹄窩間非線性摩擦接觸采用CONTA172接觸單元和TARGE169目標(biāo)單元模擬，接觸摩擦系數(shù)μ=0.3，馬蹄和馬蹄窩的橢圓長半徑a=4 m，短半徑b=1.5 m，橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比c=5%。墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)局部模型見圖3。

為方便分析墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)對(duì)連續(xù)梁橋的減隔震效果，定義墩底剪力、墩底彎矩的減震率λ和梁端縱向位移放大倍數(shù)γ為

( 1 )

( 2 )

式中：R1為模型1所得結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)；R2為模型2所得結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)。

選?、耦悎龅貜V州波、Ⅱ類場地El-Centro波、Ⅲ類場地蘭州波和Ⅳ類場地天津波為地震動(dòng)輸入，且所有地震波的加速度峰值均為0.4g，計(jì)算結(jié)果見表1。4種不同場地類型的縱向輸入地震波頻譜特性見圖4。在El-Centro波作用下的地震響應(yīng)時(shí)程曲線見圖5。

表1 減隔震效果

由表1和圖4、圖5可知：

(1) 墩底設(shè)置自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)對(duì)連續(xù)梁橋固定墩墩底的剪力和彎矩響應(yīng)均有非常明顯的減隔震效果，在給定地震波作用下墩底剪力響應(yīng)的減震率為30.3%～76.3%，墩底彎矩響應(yīng)的減震率為63.3%～92.5%。具體減隔震效果受場地類型影響比較明顯，在本文采用的4種不同場地類型地震波作用下，固定墩墩底剪力響應(yīng)的減震率相差40%以上，墩底彎矩響應(yīng)的減震率相差約29%；在Ⅰ類場地地震波作用下的減隔震效果不如Ⅱ～Ⅳ類型場地地震波作用下的減隔震效果好；在相同類型場地條件下固定墩墩底彎矩的減隔震效果明顯優(yōu)于墩底剪力響應(yīng)的減隔震效果。

(2) 墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)在有效降低固定墩地震內(nèi)力需求的同時(shí)也增大了梁端的縱向位移響應(yīng)，在表1給出的4種不同場地類型地震波作用下，梁端縱向位移的放大倍數(shù)在1.2～3.6間。本文分析模型采用墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后，在最大加速度峰值0.4g的地震波作用下梁端的最大位移為0.296 m，仍小于本算例橋梁伸縮縫允許的伸縮范圍，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)予以重視。

(3) 固定墩墩底設(shè)置自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后，固定墩的剪力、彎矩和梁端縱向位移響應(yīng)的周期明顯增大，增大幅度在2.5倍以上。

1.3 墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震機(jī)理

為了進(jìn)一步研究墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震機(jī)理，以El-Centro波和天津波為地震輸入，研究不同地震加速度峰值(PGA=0.05g、0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g)作用下，各個(gè)分析模型2#固定墩墩底內(nèi)力的變化規(guī)律，見圖6、圖7。其中，模型1-1為不考慮墩底塑性鉸的常規(guī)結(jié)構(gòu)對(duì)照模型；模型1-2為考慮墩底塑性鉸的常規(guī)結(jié)構(gòu)對(duì)照模型，即在2#固定墩墩底建立塑性鉸單元，其M-φ曲線通過UCFyber程序求得，等效屈服彎矩Me=7.26×105kN·m；模型2為墩底自復(fù)位減隔震模型。在圖7中，Mmax為設(shè)置墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后2#固定墩墩底的理論最大彎矩響應(yīng)，Mmax=N·a=2.27×105kN·m(N為靜力分析下2#固定墩的墩底支反力，a為墩底馬蹄的長軸半徑)。天津波作用下地震響應(yīng)時(shí)程與地震加速度峰值的關(guān)系見圖8，固定墩墩底內(nèi)力的減震率與地震加速度峰值的關(guān)系見圖9。

由圖6～圖9可知：

(1) 模型1-1在兩種地震波作用下，固定墩墩底地震內(nèi)力響應(yīng)隨著加速度峰值的增大而增大，呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。模型1-2在兩種地震波作用下，固定墩墩底地震內(nèi)力響應(yīng)隨著加速度峰值的增大而增大，呈現(xiàn)出兩線性變化規(guī)律。此外，在天津波(0.1g)和El-Centro波(0.3g)時(shí)，模型1-2開始出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)入塑性階段，并在天津波(0.2g)和El-Centro波(0.5g)時(shí)達(dá)到等效屈服彎矩Me。在模型1-2墩底發(fā)生塑性變形之前，模型1-1和模型1-2的2#固定墩墩底內(nèi)力響應(yīng)隨地震加速度峰值增加而增大的規(guī)律基本一致，墩底彎矩響應(yīng)和剪力響應(yīng)均隨加速度峰值的增加而線性增加。當(dāng)固定墩的墩底彎矩響應(yīng)達(dá)到等效屈服彎矩Me時(shí)，即模型1-2墩底出現(xiàn)塑性鉸后，固定墩墩底的彎矩響應(yīng)幾乎不再隨PGA的增加而增大，而固定墩墩底的剪力響應(yīng)隨PGA的增加而略有增大，但增大速率明顯減小。

(2) 設(shè)置墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后的模型2，在兩種地震波作用下，固定墩墩底地震彎矩響應(yīng)隨著地震動(dòng)加速度峰值的增大而增大，且呈現(xiàn)出兩階段線性變化規(guī)律，第一階段為地震加速度峰值小于0.2g時(shí)，固定墩墩底彎矩響應(yīng)隨地震加速度峰值增大而增大的速率較快(斜率較大)；地震加速度峰值大于0.2g后，進(jìn)入第二階段，此時(shí)固定墩墩底彎矩響應(yīng)隨地震加速度峰值增大而增大的速率明顯下降，墩底最大彎矩始終小于理論計(jì)算值Mmax。雖然模型2固定墩墩底最大剪力響應(yīng)仍隨地震加速度峰值的增加而有所增大，但增加幅度明顯小于模型1-1和模型1-2，仍具有很好的減隔震效果。在采用本文提出的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計(jì)時(shí)，建議取理論最大彎矩Mmax小于固定墩的等效屈服彎矩Me，進(jìn)而確保在強(qiáng)震作用下固定墩不發(fā)生嚴(yán)重破壞，以便災(zāi)后修復(fù)。

(3) 按常規(guī)連續(xù)梁橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，在強(qiáng)震作用下固定墩墩底形成塑性鉸，可以有效控制固定墩的內(nèi)力響應(yīng)，彎矩和剪力均呈現(xiàn)出兩階段線性變化的規(guī)律，但結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)因塑性鉸而偏離了初始平衡位置，震后殘余變形較大，不利于災(zāi)后及時(shí)通車和修復(fù)。

(4) 采用本文提出的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后，在強(qiáng)震作用下不僅對(duì)固定墩內(nèi)力響應(yīng)具有很好的減震效果，而且震后殘余變形小，具有較好的自復(fù)位功能。

2 墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 摩擦系數(shù)μ的影響

摩擦系數(shù)μ的取值大小對(duì)墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震效果有一定影響，不僅決定固定墩墩底的橢圓面馬蹄何時(shí)開始與橢圓面馬蹄窩相對(duì)滑動(dòng)，起到隔震作用，而且影響相對(duì)滑移時(shí)消耗地震能量的多少。因此有必要分析μ對(duì)減隔震效果的影響。以上述三跨等高連續(xù)梁橋?yàn)槔?，地震波選擇El-Centro波和天津波，加速度峰值均為0.4g，墩高H=36 m，橢圓長半徑a=4 m，短半徑b=1.5 m，馬蹄與馬蹄窩之間的μ分別取為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35，分析μ對(duì)墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)減隔震效果的影響，分析結(jié)果見圖10，由圖10可知：

(1) 摩擦系數(shù)對(duì)墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震效果有一定影響，但影響幅度非常小。在El-Centro波和天津波作用下，隨摩擦系數(shù)的增大，墩底彎矩的減震率均略有降低。在El-Centro波作用下墩底剪力的減震率隨摩擦系數(shù)的增大而有所減小，在天津波作用下墩底剪力的減震率隨摩擦系數(shù)的增大反而有所增大。

(2) 摩擦系數(shù)對(duì)采用墩底減隔震結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋的梁端縱向位移響應(yīng)的影響很小，且不具有規(guī)律性，當(dāng)摩擦系數(shù)μ在0.15 ～ 0.35間時(shí)，采用墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后的梁端縱向位移響應(yīng)均大于傳統(tǒng)連續(xù)梁橋的梁端縱向位移響應(yīng)。

(3) 當(dāng)摩擦系數(shù)μ的取值范圍為0.15 ～ 0.35時(shí)，墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)對(duì)固定墩墩底彎矩響應(yīng)的減震率均大于75%，對(duì)固定墩墩底剪力響應(yīng)的減震率均大于50%；說明本文提出的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)不僅具有較好的減隔震效果，而且對(duì)結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)的適應(yīng)性較好。

2.2 長半徑a的影響

墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)橢圓面長半徑a會(huì)直接影響其減隔震效果和自復(fù)位能力。因此，有必要研究橢圓面長半徑a對(duì)減隔震效果的影響。仍采用上述三跨等高連續(xù)梁橋，地震波選擇El-Centro波和天津波，加速度峰值均為0.4g，保持墩高H=36 m、短半徑b=1.5 m和摩擦系數(shù)μ=0.30不變，分別取長半徑a為2、3、4、5、6 m(橋墩厚度B=4 m，承臺(tái)順橋向尺寸一般為12～15 m)，分析長半徑a對(duì)自復(fù)位墩底減隔震結(jié)構(gòu)減隔震效果的影響，分析結(jié)果見圖11。

由此可知，在減隔震結(jié)構(gòu)橢圓短半徑b、摩擦系數(shù)μ和橋墩高度H一定的情況下，減隔震結(jié)構(gòu)橢圓長半徑a對(duì)固定墩墩底彎矩和剪力的減震率有一定影響，墩底彎矩減震率隨長半徑a的增大略有降低，但對(duì)墩底剪力減震率的影響不具規(guī)律性。自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)橢圓長半徑a對(duì)連續(xù)梁橋梁端縱向位移響應(yīng)有一定影響，但其影響不具明顯規(guī)律性。對(duì)本算例中的連續(xù)梁橋，當(dāng)長半徑a的取值范圍為2～6 m時(shí)，墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)對(duì)固定墩墩彎矩響應(yīng)的減震率均大于70%，對(duì)固定墩墩底剪力響應(yīng)的減震率均大于45%。

2.3 短半徑b的影響

采用上節(jié)分析模型，地震波為El-Centro波和天津波，加速度峰值均為0.4g，墩高H=36 m，長半徑a=4 m，摩擦系數(shù)μ=0.30，取減隔震結(jié)構(gòu)短半徑b為1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 m(當(dāng)b=4.0 m=a，接觸面為圓形)，分析短半徑b對(duì)墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)減隔震效果的影響，分析結(jié)果見圖12、圖13。

由圖12和圖13可知：

(1) 當(dāng)長半徑a、摩擦系數(shù)μ和墩高H不變時(shí)，短半徑b的取值對(duì)固定墩墩底彎矩和剪力的減震率均有較大影響。短半徑b取值在0.25a～1.00a范圍時(shí)，固定墩墩底彎矩和剪力的減震率均呈現(xiàn)出無明顯規(guī)律的波動(dòng)趨勢。

(2) 當(dāng)長半徑a、摩擦系數(shù)μ和墩高H不變時(shí)，短半徑b的取值對(duì)采用墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后連續(xù)梁橋梁端縱向位移響應(yīng)有較大影響。當(dāng)短半徑b取值在0.25a～0.50a范圍時(shí)，梁端縱向位移響應(yīng)呈現(xiàn)出無明顯規(guī)律的波動(dòng)趨勢；當(dāng)短半徑b取值在0.50a～1.00a范圍時(shí)，梁端縱向位移響應(yīng)隨短半徑b取值的增大而增大。

(3) 當(dāng)短半徑b與長半徑a相等時(shí)，在地震過程中上部結(jié)構(gòu)偏離原位置而振動(dòng)，不僅梁端縱向位移響應(yīng)較大，而且震后結(jié)構(gòu)不能回到原位置，結(jié)構(gòu)縱向殘余變形較大，不具備震后自復(fù)位能力。此時(shí)雖然具有很好的減隔震效果，但對(duì)橋梁伸縮縫和滑動(dòng)支座不利，不利于災(zāi)后修復(fù)。

(4) 考慮到對(duì)固定墩內(nèi)力響應(yīng)減震率和對(duì)梁端縱向位移響應(yīng)的影響及震后殘余變形的控制，建議取墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)短半徑b取值范圍為a/3～a/2比較合理。

2.4 墩高H的影響

仍采用上述三跨等高墩連續(xù)梁橋?yàn)榉治鰧?duì)象，地震波選擇El-Centro波和天津波，取減隔震結(jié)構(gòu)的長半徑a=4.0 m、短半徑b=1.5 m、摩擦系數(shù)μ=0.30，墩高H分別取24、36、48、60 m，分析墩高對(duì)墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)減隔震效果的影響，分析結(jié)果見圖14，由圖14可知：

(1) 在減隔震結(jié)構(gòu)的長半徑a、短半徑b和摩擦系數(shù)μ不變的情況下，墩高H對(duì)固定墩墩底彎矩的減震效果影響很小，但對(duì)墩底剪力的減震效果影響較大，當(dāng)墩高H較大時(shí)固定墩墩底剪力的減震率明顯降低。

(2) 在減隔震結(jié)構(gòu)的長半徑a、短半徑b和摩擦系數(shù)μ不變的情況下，墩高H對(duì)梁端縱向位移響應(yīng)有較大影響，隨著墩高H的增大，采用墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后梁端縱向位移響應(yīng)放大倍數(shù)γ隨之有所降低，甚至?xí)霈F(xiàn)采用墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后，梁端縱向位移響應(yīng)低于傳統(tǒng)連續(xù)梁橋的情況。說明對(duì)于橋墩較高的連續(xù)梁橋，采用本文提出的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)后不一定增加梁端的縱向位移需求。

3 自復(fù)位結(jié)構(gòu)長短半徑比a/b對(duì)滯回性能影響分析

為進(jìn)一步研究墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的滯回性能，采用控制位移逐步循環(huán)加載方法，以上述的3跨等高墩連續(xù)梁橋?yàn)樵?，研究了墩底自?fù)位減隔震結(jié)構(gòu)長短半徑比a/b對(duì)其滯回性能的影響規(guī)律。位移荷載初始值為0 m，最大縱向位移值為0.4 m，每級(jí)荷載值循環(huán)加載3次。具體加載過程見圖15。共建立6組不同長短半徑比墩底減隔震模型，取摩擦系數(shù)μ=0.30、長半徑a=4 m，長短半徑比a/b的取值為1～6。分析得出的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的滯回曲線見圖16，由圖16可知：

(1) 當(dāng)墩底減隔震結(jié)構(gòu)的長短半徑比a/b=1時(shí)，即接觸面為常規(guī)圓形，此時(shí)減隔震結(jié)構(gòu)的滯回曲線非常飽滿，且具有很好的耗能性能，但其不具備自復(fù)位功能，不是理想的減隔震結(jié)構(gòu)。

(2) 隨著墩底減隔震結(jié)構(gòu)長短半徑比a/b的增加，減隔震結(jié)構(gòu)的滯回曲線迅速收窄。當(dāng)a/b=2，且位移較小時(shí)，滯回曲線接近于直線型，殘余變形非常小；隨著位移幅度的增大，滯回曲線越來越飽滿，呈現(xiàn)出“鳥翼”型，兩端飽滿，中間收窄，不僅具有較好的耗能能力，而且殘余變形小，表現(xiàn)出較好的自復(fù)位功能。當(dāng)a/b=3時(shí)，墩底減隔震結(jié)構(gòu)的滯回曲線進(jìn)一步收窄，兩頭尖，中間稍寬，呈S型，雖殘余變形越來越小，自復(fù)位功能越來越好，但耗能性能迅速降低。隨著長短半徑比a/b的進(jìn)一步增加，墩底減隔震結(jié)構(gòu)的滯回曲線越來越窄，由S型過渡到近似直線型，雖然自復(fù)位功能越來越好，但耗能性能迅速消失。

(3) 綜合分析，建議取墩底減隔震結(jié)構(gòu)的長短半徑比a/b=2～3比較合理，不僅具有較好的耗能性能，而且具有很好的自復(fù)位功能。在實(shí)際的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)分析墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的長短半徑比a/b對(duì)其滯回性能的影響，確定出最優(yōu)長短半徑比a/b，使得墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)具有較好的耗能性能和自復(fù)位功能。

4 結(jié)論

針對(duì)強(qiáng)震區(qū)鐵路連續(xù)梁橋固定墩內(nèi)力響應(yīng)過大，常規(guī)減隔震措施難以滿足抗震需求這一問題，提出在連續(xù)梁橋固定墩墩底設(shè)置橢圓形自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)來降低固定墩的地震需求。以一典型鐵路連續(xù)梁橋?yàn)槔p隔震結(jié)構(gòu)非線性分析模型，研究了自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震效果和減隔震機(jī)理，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)減隔震效果的影響，得出如下主要結(jié)論：

(1) 本文提出的連續(xù)梁橋墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)不僅具有較好的減隔震效果，而且具有較好的自復(fù)位功能，有利于災(zāi)后修復(fù)加固。

(2) 在固定墩出現(xiàn)塑性鉸之前，墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的減隔震效果隨地震加速度峰值的增加而增大；在相同情況下，墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)對(duì)固定墩墩底彎矩響應(yīng)的減震率明顯優(yōu)于對(duì)墩底剪力響應(yīng)的減震率。采用本文提出的墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，為確保固定墩不發(fā)生破壞，建議取固定墩墩底的最大理論彎矩Mmax=Na小于固定墩的等效屈服彎矩Me。

(3) 墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的長半徑a、短半徑b及連續(xù)梁墩高H對(duì)減隔震效果影響較大，而摩擦系數(shù)μ對(duì)其減隔震效果影響很小，可以忽略。

(4) 墩底減隔震結(jié)構(gòu)的長短半徑比a/b對(duì)其滯回性能有較大影響，當(dāng)a/b=1時(shí)減隔震結(jié)構(gòu)的耗能性能最好，但不具備自復(fù)位功能；隨著a/b的增加，減隔震結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能迅速增加，但耗能性能迅速降低。

(5) 綜合考慮固定墩內(nèi)力響應(yīng)減震率、梁端縱向位移響應(yīng)及震后殘余位移等因素，取墩底自復(fù)位減隔震結(jié)構(gòu)的長短半徑比a/b=2～3比較合理。