摩擦擺支座在下承式系桿拱橋中的應(yīng)用

謝振林

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海200437）

1 引言

為保證橋梁工程在地震作用下的安全性，滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，需要對橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計。可采用的抗震體系有：（1）地震作用下，橋梁的彈塑性變形、耗能部位位于橋墩；（2）地震作用下，橋梁的耗能部位位于橋梁上、下部連接構(gòu)件（支座、耗能裝置）[1]。

在各種橋梁體系中，系桿拱橋依靠系桿平衡拱腳處的水平推力，對地基的適應(yīng)性好，跨越能力強。伴隨著系桿拱橋在城市中的大量建設(shè)，保證橋梁工程在地震下的安全性，研究地震作用下系桿拱橋抗震性能具有重要的工程應(yīng)用價值。

本文以一座跨徑110m 的下承載系桿拱橋為例，研究摩擦擺支座在橋梁減隔震設(shè)計中的應(yīng)用。

2 工程概況

浦東運河橋為連接上海浦東機場與迪士尼樂園重要道路-航城路的關(guān)鍵節(jié)點。橋梁方案為下承式系桿拱橋，大橋造型簡約、美觀。

規(guī)劃浦東運河河口寬85m，根據(jù)航道部門的要求，水中不設(shè)墩柱，主橋一跨跨過浦東運河。

主橋采用跨徑布置110m 的下承式系桿拱橋，主拱矢高24m，矢跨比1/4.6，拱軸線采用二次拋物線。全橋共2 榀拱肋，吊索區(qū)布置在機動車道與非機動車道中間。橋面以上設(shè)置3 道橫撐連接2 榀拱肋。荷載由橋面板傳到橫梁再到縱梁，由縱梁傳給吊桿再傳到拱肋，由拱肋傳到橋墩、基礎(chǔ)。系桿采用通長系桿，錨固于端橫梁鋼箱內(nèi)。全橋總體布置如圖1 和圖2 所示。

橋墩采用2.5m×3.0m 混凝土柱式橋墩，墩頂設(shè)置L 形蓋梁。P6、P7 墩高分別為3.0m、6.2m 屬于矮墩，不宜使用延性抗震設(shè)計，因此，本橋擬采用摩擦擺支座進(jìn)行減隔震設(shè)計。

在正常使用狀況下，墩3#，墩4#上支座縱橋向固定，其余墩支座縱橋向活動；墩1#，墩3#一側(cè)的支座橫橋向限位。在地震作用下，支座在固定位移方向提供一定的抗力，當(dāng)?shù)卣鹱饔盟搅Τ^限位裝置抗剪能力時，支座抗剪銷剪壞，此時支座變?yōu)殡p向活動支座，雙向減隔震。

圖1 主橋立面布置圖

圖2 主橋支座布置圖

3 摩擦擺隔震支座工作原理

摩擦擺支座是一種有效的干摩擦滑移隔震體系，1985 年美國的Dr. Victor Zayas 首先提出摩擦擺式支座的減隔震理念。摩擦擺支座具有優(yōu)良的隔震消能機制及自復(fù)位能力，近年來得到了越來越多的應(yīng)用[2,3]。

橋梁結(jié)構(gòu)采用摩擦擺支座后結(jié)構(gòu)周期基本上只取決于支座滑動球面半徑R，而與被支撐的上部橋梁結(jié)構(gòu)無關(guān)。一般工程應(yīng)用中只需調(diào)整支座滑動球面半徑R與接觸面滑動摩擦系數(shù)μ，便能地對橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測和控制[4]。

摩擦擺系統(tǒng)的周期T可表示為：

式中，R為滑動面半徑；g為重力加速度。

摩擦擺減隔震支座的力學(xué)特性可以按圖3 所示的荷載-位移滯回曲線模型來模擬。圖3 中，D為支座最大位移；F為支座水平回復(fù)力；Kp為初始摩擦剛度，可由下式確定：

式中，μ 為滑動面動摩擦系數(shù)；W為上部結(jié)構(gòu)豎向荷載；dy為支座屈服位移。摩擦擺支座的等效剛度：

圖3 摩擦擺支座荷載- 位移滯回曲線

4 抗震性能分析

4.1 有限元模型

利用有限元軟件Midas Civil 建立橋梁動力分析模型。為考慮相鄰聯(lián)橋梁動力特性的影響，同時建立左右引橋的邊界聯(lián)模型（見圖4）。主梁、蓋梁、主墩及樁基礎(chǔ)均采用空間梁單元模擬。利用m法計算土對樁基的彈性支撐剛度，m值取靜力計算值的2 倍。所選用摩擦擺減隔震支座參數(shù)：μ=0.04，R=3.0m，T=3.5s。

圖4 全橋有限元模型

4.2 地震波輸入

擬建場地類別為Ⅳ類，基本地震烈度為7 度，所屬的設(shè)計地震分組為第二組，地基土屬軟弱土。本工程的場地加速度反應(yīng)譜特征周期為0.75s，調(diào)整后地震動峰值加速度調(diào)整后為0.12g。

抗震設(shè)防分類丙類，抗震設(shè)計方法為A 類，地震作用調(diào)整系數(shù)：E1地震調(diào)整系數(shù)Ci=0.46，E2地震調(diào)整系數(shù)Ci=2.2。E1與E2地震作用下反應(yīng)譜各參數(shù)取值如表1 所示。

由規(guī)范反應(yīng)譜生成人工時程曲線作為地震波輸入進(jìn)行非線性時程分析。根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜數(shù)據(jù)生成地震動時程曲線。對應(yīng)E2反應(yīng)譜生成7 條地震波，并選取7 條波響應(yīng)的平均值作為E2地震計算結(jié)果。

表1 E1、E2 地震作用各參數(shù)取值

注：表中Tg為特征周期，s；η1為反應(yīng)譜直線下降段下降斜率調(diào)整系數(shù)；η2為結(jié)構(gòu)阻尼調(diào)整系數(shù)；γ 為自特征周期到5 倍特征周期區(qū)段曲線衰減指數(shù)；A為地震動峰值加速度；Smax為設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值，Smax=2.25A。

4.3 動力特性分析

結(jié)構(gòu)動力特性分析中的特征方程求解采用多重Ritz 法，3 個方向地面加速度初始向量分別取50 個。

表2 列出了采用減隔震體系前后主橋主要動力特性，在應(yīng)用了減隔震體系后，結(jié)構(gòu)的基本周期延長到3s 以上，遠(yuǎn)大于場地周期0.75s。采用摩擦擺支座后，結(jié)構(gòu)的第一階自振周期延長了40%。

表2 減隔震前后動力特性

4.4 時程分析結(jié)果

應(yīng)用非線性時程分析方法對結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng)進(jìn)行分析。表3 和表4 為結(jié)構(gòu)采用減隔震體系前后地震響應(yīng)。表中隔震率=（隔震前-隔震后）/隔震前×100%。

表3 減隔震前后地震響應(yīng)（縱橋向）

支座體系為常規(guī)布置時，縱橋向地震作用主要由墩3 與墩4 承擔(dān)，橫橋向橋墩間通過蓋梁聯(lián)系在一起，橫向地震作用由4 個橋墩共同承當(dāng)。采用減隔震體系時，縱向地震作用與橫向地震作用均由4 個橋墩共同承當(dāng)，減隔震體系更能充分發(fā)揮各個橋墩的抗力，體系更為合理。

表4 減隔震前后地震響應(yīng)（橫橋向）

由表3 和表4 分析結(jié)果可知，采用摩擦擺支座后，墩柱內(nèi)力大幅度減小。橫橋向剪力減震率約為50%，彎矩減震率約為30%?？v橋向減震效果尤為明顯，墩3 墩底剪力與彎矩減震率在70%以上。

采用摩擦擺支座后，在減小墩柱內(nèi)力的同時，支座位移即梁底與墩頂相對位移大大增加。過大的支座位移會給伸縮縫的設(shè)置與養(yǎng)護帶來較多的問題，通過較小的摩擦擺滑動半徑可以得到較大的回復(fù)力，從而減小支座位移，但此時會增加墩柱的內(nèi)力。所以使用何種半徑的摩擦擺要進(jìn)行綜合分析。

5 結(jié)語

通過計算分析，可知下承式系桿拱橋在采用了摩擦擺式減隔震支座后，改變了自身動力特性，顯著延長了結(jié)構(gòu)自振周期，避開場地周期從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

通過對比分析，應(yīng)用摩擦擺支座可以明顯降低橋梁墩柱結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，但支座位移較大?？赏ㄟ^調(diào)整摩擦擺減支座的摩擦系數(shù)、曲率半徑等參數(shù)來改變支座在地震作用下的位移響應(yīng)。要在墩柱內(nèi)力與支座位移間綜合考量來最終確定支座的各項參數(shù)。