菱形鋼阻尼減震支座與性能分析

楊 俊，高 昊

（1.上海材料研究所，上海市 200437；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092；3.上海消能減震工程技術(shù)研究中心，上海市 200437）

0 引 言

中小跨徑梁式橋是我國交通路網(wǎng)的重要組成部分，如何提高如此量大面廣的梁式橋的抗震性能尤為重要。李建中[1-3]、王克海[4]等分別研究了考慮板式橡膠支座滑移的梁式橋地震反應(yīng)特點(diǎn)，分析發(fā)現(xiàn)板式橡膠支座的剪切變形及后續(xù)的滑移行為可以很好地隔絕地震力的傳遞，有效降低下部結(jié)構(gòu)的地震需求。如能通過較為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑限制梁體位移在可接受的范圍之內(nèi)，則該種抗震策略可以作為對現(xiàn)行抗震規(guī)范的一種有益擴(kuò)充。項(xiàng)乃亮[5]、崔俠俠[6]等分析了不同形式擋塊下梁式橋的抗震性能，計(jì)算結(jié)果表明彈塑性擋塊相比于其他擋塊，力學(xué)行為清晰明確，且具有較好的耗能特性，控制位移效果較好。如圖1 所示，常見的彈塑性擋塊形式有X 形[6]、三角形[7]等。

圖1 常見彈塑性鋼阻尼擋塊

上述類型的彈塑性擋塊一般占據(jù)豎向空間較大，同時(shí)又考慮到板式橡膠支座支承噸位較小、變形能力有限等因素，有時(shí)會將彈塑性阻尼元件和鋼類支承組裝在一起，構(gòu)成彈塑性鋼阻尼支座，常見的鋼阻尼支座有E 形、C 形等形式，見圖2。前述鋼阻尼支座通常占據(jù)的平面空間較大，在工程應(yīng)用時(shí)會受到一定限制。針對該技術(shù)背景，本文提出一種菱形鋼阻尼減震支座，在保證彈塑性阻尼元件耗能特性優(yōu)良、成本優(yōu)勢明顯的前提下，又具有很好的空間普適性，滿足絕大多數(shù)橋梁工程應(yīng)用場景。

圖2 常見彈塑性鋼阻尼支座

1 構(gòu)造形式

如圖3 所示，菱形鋼阻尼支座的整體呈中心對稱結(jié)構(gòu)。從上至下依次由頂板、第一導(dǎo)向系統(tǒng)、連接滑板、菱形阻尼元件、第二導(dǎo)向系統(tǒng)、擋槽、支座底板等部件構(gòu)成。其中第一導(dǎo)向系統(tǒng)與第二導(dǎo)向系統(tǒng)可分別對應(yīng)橋梁的順橋向和橫橋向。在地震作用下，慣性力被分解為沿兩個(gè)導(dǎo)向系統(tǒng)滑動(dòng)方向的分力。導(dǎo)向系統(tǒng)本身既是導(dǎo)向滑移的部件又是傳力受力的部件，可限制菱形阻尼元件運(yùn)動(dòng)方向，使其發(fā)生預(yù)設(shè)模式的變形，提供指定大小的阻尼力。其中菱形阻尼元件為雙懸臂的對稱式結(jié)構(gòu)，其線形按照受力作用下的彎矩圖示進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩側(cè)懸臂端為球形傳力構(gòu)造，保證阻尼元件始終受指向球心的水平力，按指定模式發(fā)生變形。

圖3 菱形鋼阻尼減震支座構(gòu)造

值得說明的是，本文提出的菱形鋼阻尼減震支座，相應(yīng)的支座本體可以是球型鋼支座，也可以是盆式支座。另外，可根據(jù)運(yùn)營狀態(tài)的功能需求，內(nèi)置指定熔斷閾值大小的抗剪銷釘，以提供橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的強(qiáng)度和剛度[8]。地震作用下，抗剪銷釘發(fā)生剪斷，菱形鋼阻尼元件發(fā)揮耗能減震的作用。

2 阻尼元件力學(xué)行為分析

本節(jié)針對菱形鋼阻尼減震支座中的耗能元件的力學(xué)行為進(jìn)行分析，圖4 為菱形鋼阻尼元件的尺寸示意圖。

圖4 菱形鋼阻尼尺寸示意圖（單位：mm）

圖5為菱形鋼阻尼元件的有效應(yīng)力云圖。

圖5 菱形鋼阻尼元件有效應(yīng)力云圖

菱形鋼阻尼元件在發(fā)生指定模式的變形時(shí)，除球形傳力構(gòu)造區(qū)域，大部分截面同時(shí)進(jìn)入塑性狀態(tài)，使得阻尼元件具備優(yōu)良的滯回耗能特性，這一機(jī)理可以從圖5 的阻尼元件有效應(yīng)力云圖中進(jìn)一步得到佐證。數(shù)值計(jì)算得到的菱形阻尼元件的力- 位移曲線見圖6。

圖6 菱形鋼阻尼元件的力- 位移曲線

需要指出的是，上述阻尼元件的厚度為30 mm，如有需求，可使用更厚的板材，提供更高噸位的屈服力。同時(shí)基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，沿第一或第二滑動(dòng)方向，可集成不同數(shù)量的菱形鋼阻尼單元，各阻尼元件是力學(xué)上的并聯(lián)關(guān)系，支座在該方向提供的阻尼力大小為各元件的阻尼力之和。

3 減震效果數(shù)值驗(yàn)證

本節(jié)以一座典型的四跨連續(xù)梁橋?yàn)槔?，依托OpenSEES[9]計(jì)算平臺，示意說明本文菱形鋼阻尼支座的減震效果。案例橋梁的具體信息如下：跨徑組合形式為4×50 m，上部結(jié)構(gòu)形式為單箱單室箱梁，下部結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)柱樁墩形式，具體的橋型布置圖見圖7。數(shù)值模型中，主梁、墩柱、樁體均通過三維空間梁單元進(jìn)行模擬，菱形鋼阻尼支座的阻尼力- 位移關(guān)系通過uniaxial Material BoucWen 材料模型進(jìn)行模擬，每個(gè)阻尼元件的力- 位移曲線模擬情況見圖6。中間的3 個(gè)墩柱設(shè)置有本文提出的新型菱形鋼阻尼減震支座，地震動(dòng)輸入采用LOMA PRIETA 加速度記錄，峰值加速度PGA 調(diào)整至0.11g。

圖7 案例橋梁橋型圖

案例橋梁的典型動(dòng)力分析結(jié)果見圖8。由圖可知，采用菱形鋼阻尼減震支座的橋梁抗震方案在力-位移之間取得較好的平衡。設(shè)置菱形鋼阻尼支座的減震體系，墩底的剪力和彎矩地震響應(yīng)相比于滑動(dòng)約束體系雖然有一定程度的小幅增加，如圖8（a）和（b）所示，但墩- 梁位移的情況明顯優(yōu)于滑動(dòng)體系，見圖8（c）。相比于傳統(tǒng)的固定約束體系，采用菱形支座的減震體系以可接受范圍內(nèi)的墩- 梁位移為代價(jià)，顯著降低相關(guān)墩底的剪力和彎矩需求，改善下部結(jié)構(gòu)的地震受力狀態(tài)。各裝置地震作用下的力- 位移關(guān)系見圖8（d），可以看到，本文提出的菱形鋼阻尼減震支座相比一般意義上的滑動(dòng)型支座，具備優(yōu)良的耗能特性和限位效果。

圖8 案例橋梁地震響應(yīng)

4 結(jié)果和結(jié)論

本文面向國內(nèi)量大面廣的中小跨徑梁式橋，圍繞隔斷地震力傳遞以及后續(xù)主梁的地震限位問題，提出了一種鋼類支承與鋼阻尼耗能元件組合在一起的彈塑性鋼阻尼支座，具體研究工作和研究結(jié)果如下：

（1）本文提出的菱形鋼阻尼支座相比以往的C 形和E 形鋼阻尼支座，在應(yīng)用空間場景方面更加具備普適性，依次疊加設(shè)置的菱形鋼阻尼單元在平面空間上更加占據(jù)優(yōu)勢，可滿足絕大多數(shù)中小跨徑梁式橋的空間安裝要求。

（2）針對菱形鋼阻尼單元的數(shù)值仿真計(jì)算表明：菱形鋼阻尼單元除懸臂端處的球形傳力構(gòu)造區(qū)域外，其余部分幾乎同時(shí)發(fā)生塑性變形，具備良好的滯回耗能特性。對于大噸位阻尼力的情況，后續(xù)可通過調(diào)整板厚、鋼材屈服強(qiáng)度等參數(shù)對菱形鋼阻尼單元實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（3）案例橋梁的地震反應(yīng)分析結(jié)果表明：采用本文提出的菱形鋼阻尼支座的減震體系，可在下部結(jié)構(gòu)的地震需求和上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的地震位移之間取得較好平衡，在具備良好工程可實(shí)踐性的基礎(chǔ)上，為提高中小跨徑梁式橋的抗震性能提供有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。