原學(xué)明, 凡明杰, 陶泉霖, 劉紅杰

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

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雙曲面球型減隔震支座在臨河黃河特大橋上的應(yīng)用

原學(xué)明, 凡明杰, 陶泉霖, 劉紅杰

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

摘要：超長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋體型龐大、頭重腳輕,在地震工況下,下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求和變形較大.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是增大橋墩和基礎(chǔ)的截面尺寸以及配筋量,不僅會(huì)增加下部結(jié)構(gòu)造價(jià),還會(huì)給施工帶來(lái)一定的困難.結(jié)合臨河黃河特大橋的抗震設(shè)計(jì),研究雙曲面球型摩擦擺隔震支座在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,并采用有限元計(jì)算程序SAP2000對(duì)該橋進(jìn)行了抗震效果模擬.結(jié)果表明,采用雙曲面球型減隔震支座與常規(guī)方案相比,可顯著降低墩底內(nèi)力,有效地解決了下部結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)難以滿足受力的技術(shù)難題,經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著.

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋;抗震設(shè)計(jì);雙曲面球型摩擦擺隔震支座;抗震效果

常規(guī)連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì),順橋向僅靠固定支座墩抗震,具體方法是通過(guò)增大固定支座橋墩和基礎(chǔ)的截面尺寸以及配筋量來(lái)滿足抗震設(shè)計(jì)的需要.然而,對(duì)于超長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋,如果采用這種抗震措施,固定墩將承受整聯(lián)的地震力,聯(lián)長(zhǎng)越長(zhǎng),地震力越大,對(duì)橋墩的截面尺寸以及配筋量要求越高.在高震區(qū),這種抗震設(shè)計(jì)方法不僅會(huì)大大增加下部結(jié)構(gòu)的造價(jià),而且在某些情況下增大的固定墩截面及其基礎(chǔ)仍無(wú)法抵抗大震工況下的地震力.

雙曲面球形減隔震支座是近年來(lái)基于減隔震技術(shù)研發(fā)的一種新型抗震支座,亦是高地震區(qū)大跨徑連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)中采用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)較為顯著的抗震措施[1].這種支座具有高阻尼、低剛度、大變形、耐損傷、耐腐蝕的特性,能夠保證日常的抗風(fēng)、抵抗制動(dòng)力、支承豎向荷載等要求.在地震作用下,減隔震支座可以有效地降低上部結(jié)構(gòu)的慣性力,并以各種方式耗散地震能量,從而在不增加橋墩和基礎(chǔ)截面以及配筋量的同時(shí)，有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)主體不出現(xiàn)或只出現(xiàn)輕微的損傷.另外,這些支座的安裝和拆除都非常方便,震后只需對(duì)結(jié)構(gòu)適當(dāng)修補(bǔ)并更換減隔震支座即可恢復(fù)橋梁的正常使用功能.

1雙曲面球型摩擦擺隔震支座構(gòu)造

雙曲面球型摩擦擺隔震支座是通過(guò)對(duì)技術(shù)上非常成熟的球型滑動(dòng)支座進(jìn)行改造而開發(fā)的[2].該支座將普通球型滑動(dòng)支座的水平滑動(dòng)面改為球面,由一個(gè)帶有滑動(dòng)球面的上支座板、一個(gè)具有雙球面的中支座板、一個(gè)帶有轉(zhuǎn)動(dòng)球面的下支座板和一個(gè)環(huán)形套箍組成,如圖1所示.

圖1　雙曲面球型摩擦擺隔震支座構(gòu)造示意圖

這種支座將普通球型滑動(dòng)支座的平面摩擦副改造為大半徑的球面摩擦副,使大球面摩擦副在發(fā)生滑動(dòng)的過(guò)程中,不僅因摩擦阻力而耗散地震能量,而且發(fā)生動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)換,控制支座位移.雙曲面球型摩擦擺隔震支座具備3個(gè)基本功能:①正常使用功能,即正常使用條件下的豎向和水平剛度可以保障橋梁的日常工作;②周期延長(zhǎng)功能,即在地震作用下可通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的基本周期,避開地震能量集中的頻率范圍,從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng);③能量耗散減隔震功能[3].

雙曲面球型摩擦擺隔震支座通過(guò)結(jié)構(gòu)自重沿滑動(dòng)曲面的切向分力提供回復(fù)力,幫助上部結(jié)構(gòu)回到初始位置.支座的滯回曲線的基本形狀如圖2所示[4].

圖2　雙曲面球型摩擦擺隔震支座的滯回曲線

2雙曲面球型支座在臨河黃河特大橋上的應(yīng)用

臨河黃河大橋位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)與鄂爾多斯市杭錦旗交界處的黃河河段上,工程地處北方嚴(yán)寒地區(qū),場(chǎng)地地震基本烈度為7度,相應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度為0.165g.由于橋址所處的臨河段為游蕩性河段,黃河主流擺動(dòng)劇烈,主河槽斷面基本在750 m左右,變化范圍為400 m左右.根據(jù)黃河水利委員會(huì)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的相關(guān)要求,該河段主河槽孔跨不得小于100 m,因此臨河黃河公路大橋主橋?yàn)?59.7 m+11×100 m+59.7 m)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋,一聯(lián)長(zhǎng)達(dá)1 219.4 m,為典型的超長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋.設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí),結(jié)構(gòu)抗震性能是該橋設(shè)計(jì)研究的核心.如按常規(guī)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì),僅在62#墩設(shè)固定支座,固定墩和其基礎(chǔ)將承受很大的地震力,且難以滿足抗震性能要求.為此,在內(nèi)蒙古臨河黃河公路大橋主橋的抗震設(shè)計(jì)中采用雙曲面球型減隔震支座.主橋支座具體布置情況見(jiàn)表1.表中:支座符號(hào)GD,HX,ZX,DX分別表示固定支座、橫向活動(dòng)支座、縱向活動(dòng)支座及多向活動(dòng)支座;支座KZQZ25000GD,KZQZ25000HX,KZQZ25000ZX,KZQ

Z25000DX在縱向及橫向上均具備減隔震功能,為雙曲面球型減隔震支座;其他類型的支座僅在橫向具備減隔震功能,為單曲面減隔震支座;支座型號(hào)的后綴為允許位移量，單位為cm.

表1　臨河黃河大橋雙曲面球型支座布置

3雙曲面球型支座抗震效果模擬

3.1　模型建立

采用有限元計(jì)算程序SAP2000對(duì)內(nèi)蒙古臨河黃河大橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析,研究采用雙曲面球型減隔震支座的減震效果,建立的有限元模型如圖3所示.總體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閤軸,橫橋向?yàn)閥軸,豎向?yàn)閦軸;各單元局部坐標(biāo)系以單元軸向?yàn)?軸(從I節(jié)點(diǎn)指向J節(jié)點(diǎn)),3軸保持水平且垂直于1軸,2軸按右手螺旋準(zhǔn)則確定.模型利用空間梁?jiǎn)卧M主梁、墩柱,考慮恒載作用對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響(P-Δ效應(yīng));各墩樁基均采用6×6耦合彈簧模擬.在進(jìn)行動(dòng)力特性及動(dòng)力反應(yīng)分析計(jì)算時(shí),墩-梁連接關(guān)系以及設(shè)計(jì)的6種工況見(jiàn)表2.

表2　墩梁連接關(guān)系

表2中:Δx為順橋向約束,Δy為橫橋向約束,Δz為豎向約束；θx為繞單元坐標(biāo)系x軸方向的扭轉(zhuǎn)約束，θy為繞單元坐標(biāo)系y軸方向的彎曲約束,θz為繞單元坐標(biāo)系z(mì)軸方向的彎曲約束;“0”表示無(wú)主從約束,“1”表示主從約束,“2”表示摩擦支座,“3” 表示雙曲面球型支座.

圖3　結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

3.2　地震動(dòng)輸入

根據(jù)《內(nèi)蒙古臨河黃河公路大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》,抗震分析中取50年63%和50年2%超越概率下的加速度反應(yīng)譜和人工擬合加速度時(shí)程作為地震荷載.地震作用加速度反應(yīng)譜如圖4和圖5所示,人工擬合加速度時(shí)程如圖6和圖7所示.其中,E1為工程場(chǎng)地重現(xiàn)期較短的地震作用,對(duì)應(yīng)50年63%超越概率地震;E2為工程場(chǎng)地重現(xiàn)期較長(zhǎng)的地震作用,對(duì)應(yīng)50年2%超越概率地震.

圖4　水平向加速度反應(yīng)譜

圖5　豎向加速度反應(yīng)譜

圖6　50年63%水平向人工擬合加速度時(shí)程曲線

圖7　50年2%水平向人工擬合加速度時(shí)程曲線

3.3　模擬結(jié)果分析

3.3.1縱向+豎向組合下地震響應(yīng)

采用不同方法,對(duì)結(jié)構(gòu)在不同工況下的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析比較,對(duì)E1超越概率地震作用下的計(jì)算結(jié)果均乘以1.3的系數(shù).反應(yīng)譜分析,取前400階振型,按CQC(Complete Quadratic Combination)方法進(jìn)行組合.時(shí)程分析地震采用縱向+豎向輸入方式,方向組合采用SRSS(Square Root of the Sum of the Squares)方法.工況1—3下各橋墩墩底彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3　橋墩控制截面彎矩最大值(縱向+豎向輸入)　kN·m

由表3可知:工況1和工況2的計(jì)算結(jié)果相近,其中固定墩62#墩,墩底彎矩在E2地震作用時(shí),工況2下達(dá)到了(5.668E+05)kN·m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他非固定墩；當(dāng)采用雙曲面球型減隔震支座(工況3)時(shí),在E2地震作用下，固定墩62#墩的墩底彎矩為(7.017E+04)kN·m,跟其他非固定墩相當(dāng).墩底彎矩較工況1和工況2大幅降低,有效地減少了墩底截面尺寸和配筋.

3.3.2橫向+豎向組合下地震響應(yīng)

工況4—6下,各橋墩墩底彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

表4　橋墩控制截面彎矩最大值(橫向+豎向輸入)　kN·m

由表4可知：工況4和工況5的情況下計(jì)算結(jié)果相近,其中各墩墩底彎矩相差不大；在E2地震作用下,工況4下最大墩底彎矩為(2.473E+05)kN·m;當(dāng)采用雙曲面球型減隔震支座(工況6)時(shí),墩底彎矩大幅減小,過(guò)渡墩最大墩底彎矩為(9.429E+04)kN·m,墩底彎矩較工況4和工況5大幅降低,有效地減少了墩底截面尺寸和配筋.

4結(jié)語(yǔ)

1)臨河黃河公路大橋主橋順橋向在62#固定墩與相鄰的61#墩、63#墩同時(shí)采用雙曲面球型減隔震支座,橫橋向全部采用球型減隔震支座,這使得整個(gè)主橋上部結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng),達(dá)到了減隔震效果.

2)采用雙曲面球型減隔震支座的方案相比常規(guī)方案,能夠顯著降低墩底內(nèi)力,有效解決了下部結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)難以滿足受力的技術(shù)難題,經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著,這種方案可作為超長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)的參考與借鑒.

參考文獻(xiàn)

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[2]同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.內(nèi)蒙古臨河黃河公路大橋抗震性能研究報(bào)告[R].上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2009.

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(責(zé)任編輯：?jiǎn)檀淦?

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Application of Double Spherical Anti-seismic Bearing in Linhe Yellow River Bridge YUAN Xueming, FAN Mingjie, TAO Quanlin, LIU Hongjie

(Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Abstract:A continuous girder bridge with super-long unit and large span is large-size and top-heavy, under the condition of earthquake, the strength requirement and deformation of substructure are bigger. The traditional measures of structure anti-seismic design are to increase the quantity of reinforcements as well as the size of piers and foundation sections, which will increase the cost of substructure and bring some difficulties to the construction. Combining with the anti-seismic design of Linhe Yellow River Bridge, the application of double spherical anti-seismic bearing to the anti-seismic design of bridges was researched, and the anti-seismic effect was simulated with the finite element program SAP2000. The results show that comparing with the traditional scheme, the scheme of double spherical anti-seismic bearing can obviously decrease the internal force of piers′ bottom, and can effectively resolve the technical problem that the sectional design is difficult to meet the requirement of force.

Keywords:continuous girder bridge with super-long unit and large span; anti-seismic design; double spherical anti-seismic bearing; anti-seismic effect

中圖分類號(hào)：U442.5+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)02-0030-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.007

作者簡(jiǎn)介：原學(xué)明(1981—),男,河南焦作人,工程師,主要從事橋梁設(shè)計(jì)方面的研究.

收稿日期:2015-02-03