曹 鋒， 馬 鵬， 靳威燕

(1.青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810007；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

橋梁減隔震原理就是通過減隔震裝置將橋梁上下部結構隔離開來[1]，減隔震裝置通過延長橋梁自振周期以避免地震動卓越周期[2]，從而減少地震動能量傳到下部結構，避免橋墩結構內力過大而損壞。超高阻尼橡膠支座對地震引起的梁的位移能夠較好的控制，不同地震波入射角度及地震響應方向對連續(xù)梁橋動力響應計算結果有一定影響[3-5]。以天水陸港大道第一聯(lián)(30+28.5)m異形斜交連續(xù)梁橋為實際工程背景，采用非線性時程分析方法，對普通橡膠支座和SHDR支座的地震反應的反應分別進行研究分析，研究在7種地震波不同入射角作用下1號固定墩和2號活動墩底縱向、橫向彎矩值、墩頂位移值特性，為異形斜交梁橋減隔震設計提供參考。

1 工程概況及計算模型

1.1 工程概況

渭河五橋(陸港大道)橋梁工程屬于甘肅(天水)國際陸港市政基礎設施工程的一部分。渭河五橋第一聯(lián)左幅異形斜交梁，橋梁跨徑布置為(30+28.5)m，中間橋墩斜交76.2°設置，0#橋臺和1#墩正交設置，1#橋墩，采用1600mm×2200mm矩形橋墩為固定墩，2#橋墩采用1600mm×2000mm帶倒角矩形花瓶型橋墩為活動墩。主梁采用預應力混凝土箱梁結構，橋面雙幅布置，單幅橋寬由23m漸變到17.5m， 17.5m標準斷面布置形式為人行道(2.5m)、非機動車道(2.5m)、機非分隔帶(0.5m)、行車道(11.5m)以及防撞護欄(0.5m)，箱梁高度為1.8m。

1.2 有限元模型

1.2.1 抗震計算參數(shù)

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》，橋抗震設計的參數(shù)如下：橋梁抗震設計為A類，橋梁設防類別為丙類，地震動峰值加速度為0.3g，抗震設防烈度為8°，場地類別為Ⅱ類，分區(qū)特征周期為0.4s，地震動反應譜特征周期為0.4s，反應譜阻尼比為0.05，振型組合方式為CQC。

該橋采用SHDR支座，為非規(guī)則橋梁，為了能夠反映橋梁的實際動力特性，并考慮SHDR支座的非線性特性，根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》要求，該橋抗震分析選取E2地震作用下七條人工擬合地震波作為地震動輸入，計算結果取7組地震波計算結果的平均值。在E2地震作用下，將七條人工擬合波反應譜與抗震設計規(guī)范反應譜對比分析，如圖1所示，吻合效果較好。

圖1 擬合波反應譜與規(guī)范反應譜對比

1.2.2 支座模擬參數(shù)

橋梁超高阻尼隔震橡膠支座(SHDR)由超高阻尼隔震橡膠層、上下連接鋼板以及內部加勁鋼板迭層粘結組成；其中連接鋼板是支座與建筑物、支座與地基連接的基礎，同時傳遞支撐力；內部加勁鋼板提高支座的豎向剛度，使其有效的支撐橋梁上部結構；而鋼板間的超高阻尼隔震橡膠賦予支座吸收能量、彈性復位和承載能力。因此，超高阻尼隔震橡膠支座不但有普通橡膠支座的承載特性，同時具有較高的阻尼性能。這使得超高阻尼隔震橡膠支座具有優(yōu)良的隔震、耗能、抗沖擊破壞的能力。SHDR支座滯回曲線一般可近似的將滯回曲線簡化為雙線性曲線[7-8]，如圖2(a)所示。

(a)SHDR支座 (b)FPQZ支座

根據(jù)靜力計算支座承載力要求，橋SHDR支座采用2種型號，分別為：SHDR 970×970×173G1.0(20)，SHDR 1270×1270×179G1.0(20)，具體支座參數(shù)詳見表1。

表1 SHDR支座參數(shù)表

根據(jù)靜力計算支座承載力要求，橋FPQZ支座采用2種型號，分別為：FPQZ(Ⅱ)-9000，F(xiàn)PQZ(Ⅱ)-15000，具體支座參數(shù)詳見表2。

表2 FPQZ支座參數(shù)表

1.2.3 計算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil—2019建立橋梁空間三維抗震模型，考慮橋梁上部結構及下部結構的共同剛度。橋墩和樁基礎采用梁單元來模擬，支座模擬采用一般連接，樁基礎底部固結，樁基土的彈性抗力采用土彈簧模擬。由于橋臺各方向剛度均較大，故沒有模擬橋臺，采用在橋臺支座底部固結的方式進行模擬。

2 橋梁地震響應分析

2.1 動力特性

采用Lanczos法對全橋動力特性進行分析，分別采用SHDR支座與普通支座時，橋梁結構的前10階振型周期，如表3所示。采用SHDR支座時，橋梁結構第1階、第5階振型示意如圖3所示。

表3 全橋結構動力特性

(a)第1階振型圖 (b)第5階振型圖

從表3可見，異性斜交橋梁結構采用FPQZ支座，結構前三階自振周期增大最大，SHDR支座的前三階周期增大較小為FPQZ支座的一半，F(xiàn)PQZ支座在增大周期方面比SHDR支座效果更好，增大自振周期可以錯開地震動卓越周期，使結構延性增加，使得結構內力減小，進一步確保結構在地震作用下的安全[9-10]。

2.2 E2地震作用下時程分析結果

全橋動力模型分別采用SHDR支座、FPQZ支座和普通支座時，對墩底位置截面在E2地震作用下墩底最大內力及墩頂最大位移進行研究(內力及位移均為7條地震波平均值)。1#固定墩和2#活動墩墩底隨地震波入射角(入射角為沿縱橋向的右偏角)的變化情況，如圖4-5所示。

由圖4可見，1#墩采用普通支座時地震反應內力最大值Mx,My發(fā)生在150°地震波入射角處，最小值發(fā)生在45°處。當采用超高阻尼SHDR支座和摩擦擺FPQZ支座后，1#墩My隨地震波入射角的變化規(guī)律與普通支座相同；Mx隨地震波入射角的變化規(guī)律，SHDR支座和FPQZ支座與普通支座相反，這由于橫橋向減隔震支座改變結構的振動特性。1#墩縱橫橋向內力采用SHDR支座和FPQZ支座后，內力最大值大幅減小，采用SHDR支座內力隨入射角的變化幅度最小，減隔震性能較FPQZ支座好。

由圖5可見2#墩采用普通支座時，地震反應內力最大值Mx,My發(fā)生在45°地震波入射角處，最小值發(fā)生在150°處，這與1#墩的采用普通支座的情況正好相反。當采用超高阻尼SHDR支座和摩擦擺FPQZ后，2#墩縱橋向內力My隨地震波入射角的變化規(guī)律與1#墩采用減隔震支座基本相同，2#墩橫橋向內力Mx隨地震波入射角的變化規(guī)律與1#墩采用減隔震支座相差30°相位角。采用SHDR和FPQZ支座后，2#墩My明顯增大，這是由于減隔震支座分擔全橋縱向地震力所致，且SHDR支座與FPQZ支座相比左右墩受力更均勻，對全橋的受力更為有利。

由圖4-5分析可見，該異形中墩斜交梁地震反應受地震波入射角的影響較大，工程設計中應充分考慮地震波入射角的影響，內力反應最大值與普通的直線正交梁橋情況不同，正交墩和斜交墩最大最小內力發(fā)生在2倍斜交角入射角和1/2～2/3斜交角入射地震波作用下，采用普通支座和減隔震支座時最大最小內力發(fā)生入射角也不相同，設計時應考慮這幾種工況。

在E2地震作用下，異性斜交橋梁結構1#固定墩和2#活動墩分別采用SHDR支座、FPQZ支座和普通支座時，墩頂縱橋向及橫橋向的最大位移值Dy,Dx隨地震波入射角的變化關系，如圖6-7所示。

由圖6可見1#墩采用普通支座時，地震反應墩頂最大位移最大值Dy發(fā)生在150°地震波入射角處，最小值發(fā)生在45°處，橫橋向正好相反。由圖11可見2#墩的墩頂最大位移隨入射角的變化規(guī)律與1#基本相同，只有2#墩縱橋向在SHDR支座和FPQZ支座下分擔了更多的地震作用，墩頂位移較普通支座增加。采用減隔震支座后， 1#墩與2#墩協(xié)同受力，振動特性接近。

由圖6-7可見，該異形中墩斜交梁地震作用下墩頂位移受地震波入射角的影響較大，工程設計中應充分考慮地震波入射角的影響，這與普通的直線正交梁橋不同。采用普通支座和減隔震支座時，斜交墩和相鄰正交墩縱橋向最大位移發(fā)生在2倍斜交角入射地震波作用下，橫橋向最大位移發(fā)生在入射角為1/2～2/3斜交角方向，設計中應考慮這兩種工況。

從減隔震特性分析可見，SHDR支座性能較FPQZ支座較好，且FPQZ滑動有抬梁效益破壞橋面伸縮縫等附屬設施，本橋最后采用SHDR支座。該橋采用支座的容許位移[D]為75mm，采用普通支座時固定墩的最大位移Dy為257.9mm，超過容許范圍；采用SHDR支座后固定墩的最大位移Dy為62.6mm，滿足容許值要求。

圖4 E2地震作用下1#墩底內力-最大值(×103kN·m)

圖5 E2地震作用下2#墩底內力-最大值(×103kN·m)

圖6 E2地震作用下1#墩頂位移-最大值(mm)

圖7 E2地震作用下2#墩頂位移-最大值(mm)

3 結 論

以天水陸港大道第一聯(lián)(30+28.5)m異形斜交連續(xù)梁橋為實際工程背景，采用非線性時程分析方法，對普通橡膠支座、SHDR支座和FPQZ支座的地震反應的反應分別進行研究分析，研究在7種地震波不同入射角作用下1號固定墩和2號活動墩底縱向、橫向彎矩值、墩頂位移值特性。

(1)異性斜交橋梁結構采用FPQZ支座，結構前三階自振周期增大最大，SHDR支座的前三階周期增大較小為FPQZ支座的一半，F(xiàn)PQZ支座在增大周期方面比SHDR支座效果更好，這是由于摩擦擺支座的減隔震原理主要通過增大自振周期實現(xiàn)；增大自振周期可以錯開地震動卓越周期，使結構延性增加，使得結構內力減小，進一步確保結構在地震作用下的安全。

(2)采用SHDR支座和FPQZ支座后，1#固定墩縱橫橋向內力大幅減小，內力最大值大幅減小，采用SHDR支座內力隨入射角的變化幅度最小，減隔震性能較FPQZ支座好。采用SHDR和FPQZ支座后，2#墩分擔全橋縱向地震力My明顯增大，這是由于減隔震支座分擔全橋縱向地震力所致，且SHDR支座與FPQZ支座相比左右墩受力更均勻，對全橋的受力更為有利。

(3)采用SHDR支座和FPQZ支座時使固定墩縱、橫向位移均大幅減小，活動墩縱橋向位移較普通支座增加，使結構變柔，結構阻尼增加，可進一步提高耗能能力。

(4)異形中墩斜交梁地震作用下墩底內力和位移受地震波入射角的影響較大，工程設計中應充分考慮地震波入射角的影響，采用普通支座和減隔震支座時最大最小內力發(fā)生入射角也不相同，設計時應考慮。