摩擦擺支座隔震非線性時程分析研究

衛(wèi)菊瑞，童景盛

（1.南寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，廣西 南寧 530002；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

摩擦擺支座隔震非線性時程分析研究

衛(wèi)菊瑞1，童景盛2

（1.南寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，廣西 南寧 530002；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

通過對某黃河大橋摩擦擺隔震支座這一新型結(jié)構(gòu)型式在地震作用下的非線性時程分析研究，對比固定結(jié)構(gòu)和摩擦擺結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應，通過地震反應分析及抗震驗算，認為摩擦擺隔震系統(tǒng)能有效地降低結(jié)構(gòu)的各種反應，較好地克服其他支座固定方向水平抗剪承載力不足的缺陷，具有明顯的減震效果。與非隔震方案相比，摩擦擺隔震支座具有更高的安全儲備。

摩擦擺支座；非線性；時程分析；抗震性能

0　引言

橋梁抗震設計中，引入摩擦擺支座減隔震技術(shù)，是利用該裝置在滿足正常使用功能要求的前提下，達到延長結(jié)構(gòu)的基本周期、消耗地震能量，從而降低結(jié)構(gòu)的地震力的目的。因線性時程分析不能夠考慮非線性連接單元的非線性屬性，所以摩擦擺支座減隔震裝置一般需要使用邊界非線性連接單元去模擬，這就需要進行相關(guān)條件下結(jié)構(gòu)的非線性動力分析。本文通過對某跨黃河大橋進行摩擦擺支座隔震非線性時程反應分析研究，認為摩擦擺隔震系統(tǒng)因不存在水平抗剪問題，能較好地克服其他支座固定方向水平抗剪承載力不足的缺陷，具有明顯的減震效果，與非隔震方案相比，摩擦擺隔震方案有更高的安全儲備。

1　工程概況

某黃河大橋為3跨預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，主橋橋跨布置為90 m+165 m+90 m，在國內(nèi)也算單跨較大的預應力混凝土連續(xù)梁，加之在抗震等級較高且頻發(fā)地區(qū)，動力分析尤為重要。其0號～3號橋墩墩高分別為7 m、14 m、17 m及12.5 m。其中0號、3號橋墩采用實體式墩，1號及2號橋墩采用空心墩（2號墩為制動墩），基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室的變截面梁高，橋面寬為16.5 m，其中行車道寬為11.25 m?？拐鹪O防烈度為8度，場地特征周期為0.4 s，場地類別為Ⅱ類，抗震設計分組為第三組。

2　動力計算參數(shù)及有限元分析模型

該橋二期恒載（含橋面鋪裝、欄桿、防撞墻）約為66 kN/m。承臺底樁基的邊界條件簡化成平動及轉(zhuǎn)動彈簧模擬，計算模型考慮樁土共同作用，彈簧的剛度用m法計算。對于本橋以制動墩2號墩為例進行分析，其樁側(cè)土為砂巖，取m=120 000 kN/m4。各墩樁基礎(chǔ)的平動及轉(zhuǎn)動彈簧計算參數(shù)列于表1。主梁及橋墩采用空間梁單元模擬，地震作用反應分析時，固定及活動支座均采用理想約束，本橋2號主墩為摩擦擺式固定支座，計算模型見圖1。

表1　彈簧剛度表（轉(zhuǎn)動：kN·m/rad；平動：kN/m）

圖1　有限元計算模型

主橋主要抗震設計參數(shù)見表2。

表2　抗震設計參數(shù)表

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無阻尼自由振動的頻率和相應振型是結(jié)構(gòu)體系的重要動力特征，同時它對于求解結(jié)構(gòu)的動力反應也具有十分重要的意義。分析橋梁的動力特性是進行地震反應分析和抗震設計的基礎(chǔ)，橋墩的自振特性分析的目的就是求出橋墩的自振周期和相應的振型。部分自振周期及相應振型描述列于表3，振型見圖2～圖5。

表3　自振特性及其相應振型表

圖2　第1階振型

圖3　第2階振型

圖4　第3階振型

圖5　第10階振型

3　E2地震作用下非線性時程反應分析［1-7］

3.1摩擦擺支座及特性

摩擦擺隔震支座是一種圓弧而滑動摩擦系統(tǒng)，具有較強的限位、復位能力以及耗能機制和良好的穩(wěn)定性。該隔震支座具有兩個重要的參數(shù)，與周期和剛度有關(guān)的凹面曲率半徑和摩擦力有關(guān)的摩擦系數(shù)。當施加在支座上的水平荷載小于摩擦力時，整個結(jié)構(gòu)的運動與沒有隔震支座時一樣，隔震支座不起作用。一旦水平荷載超過摩擦力，隔震支座就開始起作用，改變結(jié)構(gòu)運動周期，耗散結(jié)構(gòu)運動的能量。

摩擦擺隔震支座具有以下三個動力特性：（1）兩個水平方向的變形具有摩擦滑移特性；（2）滑動后在水平剪力方向具有剛度特性，這是由于滑移面為球面所引起的，使得支座具有恢復力特性；（3）在豎直軸上具有間隙單元特性，即單元不能承受軸向拉力。

3.2摩擦擺支座隔震的非線性時程分析

（1）摩擦擺支座設計技術(shù)參數(shù)

摩擦擺支座的主要設計參數(shù)（見表4），依據(jù)表中的數(shù)值進行摩擦擺支座的技術(shù)參數(shù)設計。

在土建施工中，施工管理人員是施工管理，對施工過程中進行嚴格管控，并且遵守每一道施工工序的施工指令，并且施工人員要按照設計要求和標準規(guī)范進行施工，確保施工質(zhì)量。同時對施工過程中的各項細節(jié)進行有效的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有工程質(zhì)量問題存在，及時進行返修，并重視細節(jié)質(zhì)量事項，使工程的質(zhì)量監(jiān)控隨施工流程進行，施工質(zhì)量得以保證，細節(jié)細部質(zhì)量得到加強。

表4　一個支座主要設計參數(shù)表

摩擦擺支座的曲率半徑取R=3.0～3.5 m時，摩擦擺系統(tǒng)的隔震周期=3.47～3.72 s，約為隔震前結(jié)構(gòu)周期（1.35 s）的2.6倍左右，根據(jù)規(guī)范要求，需進行減隔震橋梁抗震分析。

（2）摩擦擺支座隔震非線性時程計算結(jié)果（見表5）

表5　2號墩非線性時程反應分析計算匯總表

（3）在E2水準地震波激勵下，3條地震波的結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡分析見圖6～圖9。

圖6　順橋向最大彎矩

圖7　順橋向最大剪力

圖8　橫橋向最大彎矩

圖9　橫橋向最大剪力

（4）典型地震波順橋向激勵作用下，2號墩內(nèi)力時程曲線及支座滯回曲線見圖10～圖13。

圖10　2號墩底彎矩時程曲線

圖11　2號墩底剪力時程曲線

圖12　2號墩頂位移時程曲線

圖13　2號墩支座滯回曲線

（5）摩擦擺支座隔震效果分析

通過以上非線性時程反應分析可知，在E2地震作用下：

順橋向：2號制動墩墩底彎矩、剪力分別為268 762 kN·m，16 123 kN。隔震后，E2地震作用下墩底彎矩、剪力均約為E1地震作用下60%左右。

橫橋向：2號制動墩墩底彎矩、剪力分別為241 091 kN·m，15 532 kN。隔震后，E2地震作用下墩底彎矩、剪力分別約為E1地震作用下的70%、115%左右。

4　橋梁抗震性能驗算

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ166-2011），該大橋抗震設防類別為乙類橋梁。對于乙類橋梁，規(guī)范要求在E1地震作用下，橋墩及基礎(chǔ)一般不損壞或不需要修復可繼續(xù)使用。為此應對橋墩及基礎(chǔ)的強度進行驗算，以保證結(jié)構(gòu)在E1地震作用下的抗震性能。

4.1抗震設計方案

通過兩個抗震設計方案進行分析比較如下：

抗震方案一：摩擦擺支座在E1地震作用下可以發(fā)生擺動，進入耗能階段。僅需要進行E2地震作用下的墩柱及基礎(chǔ)的強度驗算。由于本橋的制動力為932 kN，而制動墩的最大靜摩擦力為3 240 kN，約為制動力的3.5倍。表明對于方案一，僅由靜摩擦力就可滿足橋梁的正常使用。

抗震方案二：摩擦擺支座在E1地震作用下不能發(fā)生擺動，但在E2地震作用發(fā)生擺動，進入耗能階段。僅需要進行E1地震作用下的墩柱及基礎(chǔ)的強度驗算。2號墩支座順橋向剪力為13 331 kN，最大靜摩擦力為3 240 kN，可見由于該橋單跨跨度較大，E1地震作用下結(jié)構(gòu)的反應較大，遠大于制動力下引起的橋梁反應。因此，需通過設置剪力鍵及限滑動螺栓，補充水平抗力，注意減隔震后梁縫的細部構(gòu)造及防落梁措施。

4.2橋梁抗震性能驗算

（1）橋墩的抗震承載能力驗算

2號橋墩采用空心圓端形截面，截面尺寸為11.0 m（橫向）×4.0 m（縱向），壁厚為0.7 m。按鋼筋間距為12 cm布置兩層，截面配筋率為1.4%。橋墩的抗震驗算結(jié)果見表6。

表6　橋墩抗震承載力驗算比較表（彎矩kN·m；軸力kN）

a.對于抗震方案一，在E2地震作用下（考慮E1地震作用摩擦擺減震，采用非線性時程反應分析結(jié)果），各墩在順橋向及橫橋向的抗彎承載能力能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，達到了“大震不壞”的抗震設防水準。

b.對于抗震方案二，在E1地震作用下（不考慮E1地震作用摩擦擺減震，采用線性反應譜反應分析結(jié)果），2號墩在順橋向的抗彎承載能力不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求。

（2）樁身抗彎承載能力驗算

樁基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，2號墩樁基礎(chǔ)的樁徑為2.0 m，截面配筋率為2.0%。樁身內(nèi)力及驗算結(jié)果見表7。

表7　樁身抗彎承載力驗算分析表（彎矩kN·m；軸力kN）

a.對于抗震方案一，在E2地震作用下（考慮E1地震作用摩擦擺減震，采用非線性時程反應分析結(jié)果），各墩樁基礎(chǔ)在順橋向及橫橋向的抗彎承載能力能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，達到了“大震不壞”的抗震設防水準。

b.對于抗震方案二，在E1地震作用下（不考慮E1地震作用摩擦擺減震，采用線性反應譜反應分析結(jié)果），各墩樁基礎(chǔ)在順橋向及橫橋向的抗彎承載能力能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，達到了“大震不壞”的抗震設防水準。

5　結(jié)　論

本文通過對某黃河大橋摩擦擺隔震支座這一新型結(jié)構(gòu)型式在地震作用下的非線性時程分析研究，對比固定結(jié)構(gòu)和摩擦擺結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應，通過地震反應分析及抗震驗算，可知摩擦擺隔震系統(tǒng)能有效地降低結(jié)構(gòu)的各種反應，達到隔震的目的，得出如下的主要結(jié)論：

（1）通過非線性時程反應分析，建立摩擦擺支座內(nèi)力曲線與滯回曲線，認為摩擦擺隔震系統(tǒng)能較好地克服其他支座水平抗剪承載力不足的缺陷，與非隔震方案相比，摩擦擺隔震方案有更高的安全儲備。

（2）通過建立兩種方案的動力分析模型，比較分析提出該橋的抗震評估準則，包括抗震設防“小震不壞、中震可修、大震不倒”三個設防目標，對未隔震方案和隔震方案情況進行抗震性能對比分析，給出評估指標與2號墩需通過設置剪力鍵及設置限滑動螺栓，補充水平抗力的建議。

（3）對于垂直地震作用對隔震體系的影響尚待研究。摩擦擺減隔震系統(tǒng)在有豎向地震作用下，結(jié)構(gòu)是否會出現(xiàn)傾覆或不穩(wěn)定狀況，是否會影響到內(nèi)部構(gòu)造的正常工做等問題，需要認真考慮和進一步研究。

［1］CJJ166-2011，城市橋梁抗震設計規(guī)范［S］.

［2］CJJ11-2011，城市橋梁設計規(guī)范［S］.

［3］GB50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［4］JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［5］呂西林，葉驊.結(jié)構(gòu)主動控制和混合控制的新發(fā)展［J］.世界地震工程，1997（2）:21-29.

［6］周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京:地震出版社，1997.

［7］沈聚敏，周錫元，高小旺，等.抗震工程系［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

U443.36

A

1009-7716（2016）01-0080-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.023

2015-09-10

衛(wèi)菊瑞（1975-），女，山西沁縣人，高級工程師，從事城市道路與橋隧工程設計研究工作。