基于摩擦擺式支座的波形鋼腹板PC剛構(gòu)-連續(xù)組合梁抗震性能分析

徐皓甜

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210005）

0 引言

當(dāng)前，對于連續(xù)梁橋的抗震分析思路主要有兩種：一是延性抗震設(shè)計(jì)，二是減隔震抗震設(shè)計(jì)[1]。減隔震設(shè)計(jì)針對的是采用減隔震支座的橋梁。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，引入減隔震技術(shù)的目的是利用減隔震裝置在滿足正常使用功能要求的前提下，延長結(jié)構(gòu)自振周期和增大阻尼，達(dá)到消耗地震能量和降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的[2-3]。波形鋼腹板PC組合箱梁橋作為新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的一種[4]，能夠有效地降低結(jié)構(gòu)自重。本文以（80+7×120+80）m波形鋼腹板PC剛構(gòu)-連續(xù)組合體系為例，通過非線性動力時程分析，對分別采用減隔震支座和普通支座兩種情況，研究橋梁的受力特點(diǎn)。

1 工程概況

本文依托的工程背景橋梁聯(lián)數(shù)較多，取其中一聯(lián)9跨波形鋼腹板PC剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，跨徑布置為（80+7×120+80）m，總體布置如圖1所示。

圖1 波形鋼腹板P C剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋總體布置圖（單位：cm）

當(dāng)一聯(lián)的橋梁跨數(shù)較多且長時，結(jié)構(gòu)在收縮徐變和整體升降溫的作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋次邊墩及其相鄰主墩墩身彎矩效應(yīng)大、適應(yīng)溫度變形能力差，導(dǎo)致墩身縱向配筋率偏大，進(jìn)一步影響橋墩抗震性能,（80+7×120+80）m主橋采用剛構(gòu)-連續(xù)梁協(xié)作體系，中間2個主墩墩梁固結(jié)，其余主墩及邊墩墩梁分離，梁底設(shè)置支座。

主梁采用單箱單室斷面，箱梁頂寬16.0 m，底寬8.5 m，懸臂長3.5 m，端部厚0.2 m，懸臂根部為0.7 m。墩頂根部梁高7.5 m，跨中梁高3.5 m，底板厚0.3～0.9 m，梁高和底部按照二次拋物線變化。橋梁主梁典型斷面圖如圖2所示。

圖2 主梁典型斷面圖（單位：cm）

2 抗震分析計(jì)算模型

2.1 模型建立

采用Midas Civil軟件建立邊界非線性動力分析模型。主梁、墩柱、承臺和樁基采用梁單元模擬，摩擦擺式支座采用一般連接。按m法設(shè)置土彈簧并考慮動力對土具有剛度強(qiáng)化作用（強(qiáng)化系數(shù)取2.5），以模擬樁土相互作用。結(jié)構(gòu)一期恒載按照實(shí)際截面尺寸建?？紤]，橋面二期恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量加到主梁上。整個有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元模型

2.2 摩擦擺式支座

本橋采用摩擦擺式減隔震支座，墩頂支承連接條件按實(shí)際支座布置方式建模，通過在墩梁交接處建立支座單元，采用一般連接單元模擬。支座的滑動摩擦系數(shù)取0.03，屈服位移取0.005 m。

摩擦擺式支座通過球形滑動表面的運(yùn)動使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運(yùn)動，隔震系統(tǒng)的周期和剛度通過選擇合適的滑動表面曲率半徑來控制，阻尼由動摩擦系數(shù)來控制。在時程分析中考慮支座滑動后的摩擦耗能作用，采用圖4中的雙線性恢復(fù)力模型模擬滑動支座的力和位移關(guān)系。摩擦擺式減隔震支座參數(shù)見表1。式中：W為支座承受豎向荷載；μ為摩擦擺式支座摩擦系數(shù)；R為摩擦擺式支座球面半徑；Dy為摩擦擺式支座屈服位移；D為摩擦擺式支座容許位移；F為摩擦擺式支座水平力；Keff為摩擦擺式支座等效剛度；Ki為摩擦擺式支座屈服前剛度；Kfps為摩擦擺式支座屈服后剛度。

圖4 摩擦擺式支座的滯回曲線

表1 摩擦擺式減隔震支座的參數(shù)

2.3 地震動輸入

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）6.1.4的條文說明，對于多聯(lián)大跨度連續(xù)梁橋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只有采用非線性時程的方法，才能正確預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)[2]。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）10.1.3可知，采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁，可只進(jìn)行E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)[2]。E2地震選取《安評報(bào)告》提供的重現(xiàn)期約2 000 a的3條地震波。3條地震波的時程曲線如圖5所示。

圖5 生成的加速度時程曲線

E2地震作用下，3條時程波之間的相關(guān)系數(shù)為：ρ12=0.051 3，ρ13=0.049 3，ρ23=0.027 6，均小于《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.3規(guī)定的0.1。因此，可以選取上述3條加速度時程波作為本橋E2地震作用的地震動輸入時程曲線。

3 動力特性對比分析

橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析不可或缺的一個環(huán)節(jié)是對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行分析。因此，采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動力計(jì)算模型，基于不同支座的情況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析。

結(jié)構(gòu)動力特性分析中，特征方程求解采用里茲向量法，取前300階陣型進(jìn)行計(jì)算，陣型的有效參與質(zhì)量達(dá)到90%以上。基于此陣型數(shù)計(jì)算的地震響應(yīng)精度可滿足要求，因階數(shù)較多，取前十階不同支座下橋梁成橋狀態(tài)的動力特性見表2。

從表2中可以看出，從一階模態(tài)到十階模態(tài)，采用摩擦擺式支座的結(jié)構(gòu)自振周期高于采用普通支座的結(jié)構(gòu)自振周期。這說明摩擦擺式支座可以有效地延長結(jié)構(gòu)自振周期，能夠起到較好的減隔震作用。

表2 前十階振動周期

4 非線性動力時程對比分析

4.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比分析

在順橋向E2地震作用下，計(jì)算結(jié)果取3組時程中最大值，主梁最不利彎矩如圖6所示。從圖中可以看出，采用普通支座的剛構(gòu)-連續(xù)梁橋，主梁的彎矩明顯大于采用摩擦擺式支座橋梁的主梁，且中間兩個固定墩處的彎矩較大。由此可以得出，在順橋向E2地震作用下，固定墩位置處的受力較不利；采用摩擦擺式支座，能夠有效地減小主梁的彎矩，使整個主梁受力更合理。

圖6 順橋向E2地震作用下主梁最不利彎矩圖

根據(jù)剛構(gòu)-連續(xù)梁的受力特點(diǎn)，選取固定墩作為分析對象，其固定墩關(guān)鍵截面的地震響應(yīng)值，具體見表3。

從表3可知，相對于普通支座，采用摩擦擺式支座時，在E2地震順橋向作用下，固定墩的墩頂、墩底和承臺底的軸力、剪力和彎矩都有明顯降低?？傊捎媚Σ翑[式支座可以降低橋墩的內(nèi)力，能夠有效地起到順橋向減震的作用。

表3 E2地震順橋向作用下結(jié)構(gòu)主要截面地震響應(yīng)

4.2 墩頂位移對比分析

在E2地震順橋向作用下，各個橋墩的墩頂位移見表4。

表4 E2地震順橋向作用下墩頂位移

從表4可以看出，采用摩擦擺式支座的墩頂位移相比于采用普通支座的墩頂位移，呈現(xiàn)出減小的趨勢，且滿足容許位移小于150 mm的要求。而4#墩和5#墩作為固定墩，可以得出采用摩擦擺式支座可以有效地減小固定墩的墩頂位移。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用Midas Civil軟件建立了大跨徑波形鋼腹板PC剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的有限元模型。通過改變橋梁支座，分別對兩種支座狀況下的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了比較和分析，主要結(jié)論如下：

（1）采用減隔震支座中的摩擦擺式支座可以適當(dāng)?shù)卦黾咏Y(jié)構(gòu)自振周期，起到良好的減隔震作用。

（2）將摩擦擺式支座運(yùn)用到波形鋼腹板PC剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋中，可以優(yōu)化主梁和橋墩的受力情況。

（3）在波形鋼腹板PC剛構(gòu)-連續(xù)梁橋中采用摩擦擺式支座，可以有效地減小固定墩的墩頂位移。