摩擦擺支座在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃星瑞，李雙紅

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

摩擦擺支座在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃星瑞，李雙紅

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

詳細(xì)的介紹了摩擦擺隔震支座，然后結(jié)合實(shí)際案例分析了摩擦擺隔震支座在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

摩擦擺支座；橋梁；抗震設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 減震、隔震支座的發(fā)展及應(yīng)用

在橋梁中，支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其起著傳到荷載的作用。在橋梁結(jié)構(gòu)中，支座是十分重要的一部分，一旦其發(fā)生損壞將會(huì)直接影響到橋梁整體的穩(wěn)定性。因此在進(jìn)行橋梁的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一定要做好支座的防護(hù)設(shè)計(jì)?？紤]到支座的特殊性，一些研究人員提出了設(shè)計(jì)減震、隔震支座的觀念，這一觀念在提出后受到了較多的關(guān)注，相關(guān)的研究人員通過在橋梁的支座上安裝一些減震、隔震的裝置來實(shí)現(xiàn)減少橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，并且取得了較好的效果。我國(guó)在汶川大地震以后開始廣泛的管賬橋梁的減震、隔震支座研究，在實(shí)際的施工中應(yīng)用了一系列的減震、隔震支座。在實(shí)際的橋梁施工中，常用的防震支座有以下幾種：摩擦擺式支座、鉛芯橡膠支座、黏滯阻尼器軟鋼阻尼支座以及速度鎖定支座等。

2 摩擦擺支座的工作原理分析

摩擦擺支座是根據(jù)單擺的原理來加以設(shè)計(jì)研發(fā)的，其是在普通平面滑動(dòng)隔震支座的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)得到的一種防震支座。在安裝了摩擦擺式減隔震支座以后，當(dāng)發(fā)生小幅度的震動(dòng)時(shí)，其上部結(jié)構(gòu)能夠依靠自重確保內(nèi)部的穩(wěn)定，在靜摩擦力的作用下，滑塊并不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)按照預(yù)先的設(shè)計(jì)發(fā)生周期性的滑動(dòng)，從而將震動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部的能力，不再像橋梁的下部傳遞。在安裝了摩擦擺式減隔震支座以后，一旦發(fā)生震動(dòng)，其內(nèi)部的支座橋面曲率會(huì)發(fā)生變化，從而使支座的擺動(dòng)周期發(fā)生改變。當(dāng)支座發(fā)生水平方向上的運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力豎向上會(huì)發(fā)生提升，將支座的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，從而使震動(dòng)的能量降低。在震動(dòng)結(jié)束以后，支座會(huì)在重力的作用下逐漸的恢復(fù)。

支座的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出，其是利用了滑動(dòng)面來將整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期延長(zhǎng)，從而使地震作用下的放大效應(yīng)進(jìn)一步的減弱，使得地震下產(chǎn)生的振動(dòng)能量影響降到最低。整個(gè)系統(tǒng)的周期以及剛度都是經(jīng)過科學(xué)的分析與計(jì)算的，當(dāng)發(fā)生震動(dòng)時(shí)，在重力以及靜態(tài)阻尼的作用下滑塊會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)變振動(dòng)的能量。通過擺動(dòng)，延長(zhǎng)下部結(jié)構(gòu)自振周期，實(shí)現(xiàn)隔震功能。周期一般為橋梁固有周期的2倍以上，不能太大，否則難以復(fù)位，其范圍為2～6 s；太小則梁體升高偏大，因此設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)不同噸位選擇合理周期，滿足抬高及復(fù)位要求。并且支座內(nèi)部的弧面具有修復(fù)功能，其能夠有效的而避免支座發(fā)生位移，當(dāng)震動(dòng)停止后能夠及時(shí)的回復(fù)原來的狀態(tài)，確保支座的穩(wěn)定。

圖1 摩擦擺支座結(jié)構(gòu)示意圖

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)的摩擦擺支座應(yīng)用實(shí)例

某高架橋梁是城市重點(diǎn)項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)的過程中橋梁的主線部分與匝道的結(jié)構(gòu)采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在施工過程中以支架現(xiàn)澆施工法進(jìn)行施工。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)的橋梁抗震等級(jí)是乙類，地震的基本烈度是7度。因?yàn)樵摌蛄旱纳喜拷Y(jié)構(gòu)形式比較多樣化，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮到橋梁的跨徑變化、立柱高度的變化等，其存在較大的差異，因此在進(jìn)行橋梁的抗震分析時(shí)需要消耗大量的時(shí)間。一般而言，不同抗震等級(jí)的橋梁應(yīng)當(dāng)選擇不同的摩擦擺支座，在具體選擇時(shí)可以參照?qǐng)D2。

圖2 不同型號(hào)摩擦擺支座對(duì)應(yīng)的的證等級(jí)

以主線高架立柱高度為8 m的3×30 m標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)構(gòu)為例，分析采用摩擦擺隔震支座的結(jié)構(gòu)抗震性能。其中，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)箱梁結(jié)構(gòu)寬度17.5 m、高度2.0 m，采用單箱多室斷面，頂板厚度為250 mm，底板跨中厚度為250 mm，支點(diǎn)附近厚度為400 mm；腹板標(biāo)準(zhǔn)厚度為400 mm，支點(diǎn)附近厚度為700 mm，邊支點(diǎn)漸變段為5 m，中支點(diǎn)漸變段為8 m。下部結(jié)構(gòu)采用雙立柱，每個(gè)立柱下設(shè)4根直徑1.2 m的鉆孔灌注樁。

在抗震分析中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)構(gòu)分別采用全部常規(guī)支座(隔震前)與中間橋墩采用摩擦擺支座(隔震后)進(jìn)行分析比較，從而得到摩擦擺支座的抗震性能。

3.1 動(dòng)力分析模型以及計(jì)算參數(shù)

動(dòng)力分析采用SAP2000Nonlinear有限元程序，應(yīng)用三維有限元模型建立計(jì)算模型進(jìn)行抗震性能分析，計(jì)算模型均以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。計(jì)算模型均考慮左右各一聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。模型中主梁和橋墩均離散為空間梁?jiǎn)卧?，其中主梁采用單梁式力學(xué)模型，承臺(tái)采用集中質(zhì)量進(jìn)行模擬；樁基礎(chǔ)的模擬為6×6彈簧剛度模型，按靜力的m法計(jì)算，但m系數(shù)考慮動(dòng)力影響提高2～3倍。

3.2 時(shí)程分析結(jié)果

根據(jù)動(dòng)力分析結(jié)果，隔震前的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)構(gòu)其一階振動(dòng)模態(tài)為固定墩——1#墩縱向位移，周期為1.371 s，頻率為0.730 Hz；而隔震后結(jié)構(gòu)的一階振動(dòng)模態(tài)為主梁縱向位移，周期為3.475 s，頻率為0.288 Hz。由此可見，采用摩擦擺支座后結(jié)構(gòu)的周期大大延長(zhǎng)。

采用摩擦擺支座后結(jié)構(gòu)墩柱的內(nèi)力與支座剪力大大減小，橫橋向的隔震率略大于縱橋向，而隔震后的主梁位移比隔震前增加較多，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意支座與抗震擋塊之間的間隙，確保摩擦擺支座的極限位移。由于采用半徑大的摩擦擺支座引起較大的主梁支座位移(根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到，摩擦擺支座R=3.0 m。縱向支座位移0.240 m，橫向支座位移0.233 m)，需要設(shè)置較大間隙的抗震擋塊，采用較小半徑的摩擦擺支座可以適當(dāng)減小主梁支座的位移。

4 結(jié) 語(yǔ)

在橋梁設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)用摩擦擺隔震支座能夠有效的而降低橋墩的剪切力，降低橋墩頂部所承受的剪力值，并且還會(huì)增加橋梁與橋墩之間的位移。在實(shí)際的橋梁抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在選擇摩擦擺隔震支座進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)必須要根據(jù)橋梁的實(shí)際情況選擇合理的支座參數(shù)，對(duì)于橋梁整體的控制墩以及梁之間的位移進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，從而最大程度上降低橋梁的振動(dòng)系統(tǒng)，確保橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性。

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[2] 龐博,王宏.基于時(shí)程分析的橋梁支座抗震性能對(duì)比研究[J].公路,2014,31(10):139-143.

[3] 孫洪亮.摩擦擺支座在某連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2015,16(30):167-169.

U445.7+5

C

1008-3383(2017)09-0136-01

2017-06-07

黃星瑞(1990-)，男，貴州遵義人，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。