減隔震支座在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中的應(yīng)用

譚珂

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團佛山斯美設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528200）

減隔震支座在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中的應(yīng)用

譚珂

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團佛山斯美設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528200）

以王借崗大橋抗震設(shè)計為背景，對減隔震支座技術(shù)對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中的應(yīng)用進行了研究?？拐鹩嬎悴捎肕IDAS/Civil 2013空間有限元軟件，對主橋的地震力進行了空間分析。分析結(jié)果顯示，減隔震支座的應(yīng)用可以顯著減小地震力。

減隔震支座；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁；抗震

1 工程概況與計算說明

1.1 項目概況

王借崗大橋跨越汾江河，全橋長930.4 m?？鐝浇M合為（3×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁+（3×25+32.7）m簡支小箱梁+（70+110+ 70）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋+（22.7+3×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁+（4×25）m簡支小箱梁。王借崗大橋主橋總體布置如圖1所示。

1.2 計算說明

本計算所涉及的范圍為主橋（70+110+70）m連續(xù)箱梁橋。計算的主要內(nèi)容有：（1）建立主橋的合理空間動力計算模式，分析結(jié)構(gòu)動力特性；（2）采用線性反應(yīng)譜法進行地震反應(yīng)分析，研究結(jié)構(gòu)在兩種概率水平（超越概率為50年10%和50年2.5%）的地震輸入下的地震響應(yīng)；（3）對主橋在兩種概率水平下的抗震性能進行驗算。

2 主橋（70+110+70）m連續(xù)箱梁橋總體布置

2.1 總體設(shè)計

橋跨布置為（70+110+70）m連續(xù)箱梁橋，橋?qū)?9.5 m。下部采用大直徑鉆孔灌注樁。

結(jié)構(gòu)體系：主墩、邊墩均設(shè)減隔震支座。

2.2 橋墩設(shè)計

邊墩結(jié)構(gòu)采用圓形截面橋墩，兩墩之間用高低蓋梁連接，蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土A類結(jié)構(gòu)，蓋梁加高塊在主橋鋼束張拉完成后進行后澆。兩立柱中心間距為6 m。每個立柱下布置直徑2.2 m的鉆孔灌注樁1根。

主墩采用圓端形截面，橋墩橫向尺寸10.24 m，順橋向尺寸3 m。主墩承臺尺寸為水中墩承臺17.8×9.1 m，陸地墩承臺14.6×9.1 m，每個立柱下布置6根直徑2.2 m的鉆孔灌注樁。

2.3 主梁設(shè)計

主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，支點梁高6.5 m，跨中梁高2.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。

3 地震作用

采用反應(yīng)譜法對該橋進行地震響應(yīng)分析。地震加速度譜取值如下：

王借崗大橋主橋設(shè)防類別B類，其結(jié)構(gòu)重要性修正系數(shù)：E2地震Ci=1.7m，E1地震Ci=0.5；水平地震動峰值加速度0.1g，豎向地震動峰值加速度0.065g。場地類別為Ⅱ類場地，場地系數(shù)Cs= 1.0。特征周期Tg=0.4 s。阻尼比取為0.05，阻尼調(diào)整系數(shù)Cd=1。

4 計算模型

本次計算采用Midas/Civil 2013版本軟件，采用空間桿系模型，主梁、主樁基采用梁單元，橋墩樁基與土的邊界采用土彈簧模擬，以考慮樁土效應(yīng)。全橋共有907個單元。計算模型如圖2所示。

圖1 總體布置圖（單位：m）

圖2 空間桿系模型

5 計算參數(shù)輸入

5.1 質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量輸入通過X、Y、Z方向荷載轉(zhuǎn)換施加節(jié)點三方向質(zhì)量。一期恒載：混凝土主梁采用梁單元自重系數(shù)（1.04）施加，橫梁采用集中力施加；

二期恒載：采用外部均布荷載施加。

5.2 邊界條件輸入

地基基礎(chǔ)：采用土彈簧模擬樁基邊界條件；支座模擬：采用減隔震支座等效剛度模擬。

6 主橋抗震計算

6.1 抗震設(shè)防標準

大橋按“兩階段設(shè)計、兩水準設(shè)防”的抗震思想進行抗震設(shè)計。

王借崗大橋采用50年10%（地震水平I，簡稱E1地震作用）和50年2.5%（地震水平II，簡稱E2地震作用）兩種超越概率地震動進行抗震設(shè)防。

6.2 結(jié)構(gòu)性能目標

針對結(jié)構(gòu)各部分的重要性，主橋相應(yīng)的性能目標為：

橋墩等橋梁結(jié)構(gòu)中比較容易修復(fù)的構(gòu)件在E1作用下雖然可發(fā)生可修復(fù)的損傷，但要求地震發(fā)生后，基本不影響車輛的通行。在E2作用下，結(jié)構(gòu)不倒塌，震后可以修復(fù)，可供緊急救援車輛通過。

基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)重要受力構(gòu)件在E1作用下基本不發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍工作；在E2作用下雖然局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，但要求地震發(fā)生后，基本不影響車輛的通行。具體性能目標可參見表1。

6.3 地震動輸入

場地地震動參數(shù)，主要包括：地震系數(shù)K與規(guī)準加速度反應(yīng)譜β（T），它們與設(shè)計地震影響系數(shù)α(T)的關(guān)系為：

根據(jù)設(shè)計規(guī)準加速度反應(yīng)譜，經(jīng)平滑后所得結(jié)果用式（1）表示：

表1 主橋設(shè)防標準與相應(yīng)的性能目標

在進行地震反應(yīng)分析時，采用50年10%和50年2.5%的超越概率，阻尼比為0.05的場地反應(yīng)譜輸入，如圖3及圖4所示。

圖4 E2地震作用反應(yīng)譜圖

地震輸入采用兩種方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向，并取前300階，按CQC法進行組合。

6.4 減隔震支座選擇

為改善主橋下部結(jié)構(gòu)受力，擬采用雙曲面摩擦擺減隔震支座，每個邊墩及中墩設(shè)置減隔震支座，同時設(shè)置抗剪銷。正常使用狀態(tài)下以及E1地震作用（50年超越概率10%）下抗剪銷承受水平地震力；當發(fā)生E2地震作用（50年超越概率2.5%）時，支座抗剪銷剪斷，橫向雙曲面摩擦擺發(fā)生相對變位，支座以一定的隔震周期進行擺動，通過球形支座與摩擦減隔震裝置之間的摩擦阻尼消能。地震作用后自重在梁體重力作用下，克服雙球面間摩擦自動復(fù)位。

根據(jù)E2地震作用下的支座處梁體水平位移限制確定減隔震支座地震動參數(shù)，主橋主梁在邊墩橫向位移限制為100 mm，最終選取的摩擦擺減隔震支座參數(shù)如圖5。

圖5 支座平面布置圖

支座參數(shù)如表2。

表2 支座參數(shù)

6.5 線性反應(yīng)譜分析結(jié)果

在對線性模型進行地震反應(yīng)分析時，采用50年10%和50年2.5%兩種超越概率的反應(yīng)譜，地震輸入方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向。采用彈性反應(yīng)譜分析方法，計算中取前300階，按CQC方法進行組合。

選取邊墩、中墩墩底及樁頂?shù)卣饎禹憫?yīng)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 Pm12墩（中墩）-恒載+地震組合

表4 Pm11墩（邊墩）-恒載+地震組合

6.6 結(jié)構(gòu)抗震性能驗算

6.6.1 地震作用截面抗震性能驗算

根據(jù)總體抗震設(shè)防目標，E1水準地震作用下，主橋各截面處于彈性階段，基本不損傷，截面承載力需滿足現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的要求。E2水準地震作用下，主橋各截面仍按滿足彈性階段承載力要求設(shè)計。如表5所示。

表5 主墩與邊墩靜力計算內(nèi)力結(jié)果

6.6.2 E2地震作用下主橋最大位移計算結(jié)果

從圖6、圖7分析結(jié)果可知，橋墩和樁基在E2水準地震作用下，截面承載力和變形均滿足規(guī)范要求。

圖6 E2地震作用下順橋向最大位移（最大100 mm）

圖7 E2地震作用下橫橋向最大位移（最大9.3 mm）

7 結(jié)語

通過計算分析表明，減隔震支座的應(yīng)用可以顯著減小下部結(jié)構(gòu)的地震力，使下部結(jié)構(gòu)的控制荷載由地震荷載轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力荷載。減隔震支座的應(yīng)用可以降低下部結(jié)構(gòu)的工程量，取得良好的社會經(jīng)濟效益。減隔震技術(shù)為橋梁抗震設(shè)計開拓了新的方向。

U443.36

B

1009-7716（2017）08-0285-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.090

2017-04-24

譚珂（1985-），男，湖南株洲人，路橋工程師，碩士研究生，從事橋梁設(shè)計工作。