摩擦摆支座隔震非线性时程分析研究

卫菊瑞，童景盛

（1.南宁市城乡规划设计研究院，广西 南宁 530002；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

摩擦摆支座隔震非线性时程分析研究

卫菊瑞1，童景盛2

（1.南宁市城乡规划设计研究院，广西 南宁 530002；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

通过对某黄河大桥摩擦摆隔震支座这一新型结构型式在地震作用下的非线性时程分析研究，对比固定结构和摩擦摆结构在地震作用下的反应，通过地震反应分析及抗震验算，认为摩擦摆隔震系统能有效地降低结构的各种反应，较好地克服其他支座固定方向水平抗剪承载力不足的缺陷，具有明显的减震效果。与非隔震方案相比，摩擦摆隔震支座具有更高的安全储备。

摩擦摆支座；非线性；时程分析；抗震性能

0　引言

桥梁抗震设计中，引入摩擦摆支座减隔震技术，是利用该装置在满足正常使用功能要求的前提下，达到延长结构的基本周期、消耗地震能量，从而降低结构的地震力的目的。因线性时程分析不能够考虑非线性连接单元的非线性属性，所以摩擦摆支座减隔震装置一般需要使用边界非线性连接单元去模拟，这就需要进行相关条件下结构的非线性动力分析。本文通过对某跨黄河大桥进行摩擦摆支座隔震非线性时程反应分析研究，认为摩擦摆隔震系统因不存在水平抗剪问题，能较好地克服其他支座固定方向水平抗剪承载力不足的缺陷，具有明显的减震效果，与非隔震方案相比，摩擦摆隔震方案有更高的安全储备。

1　工程概况

某黄河大桥为3跨预应力混凝土连续箱梁桥，主桥桥跨布置为90 m+165 m+90 m，在国内也算单跨较大的预应力混凝土连续梁，加之在抗震等级较高且频发地区，动力分析尤为重要。其0号～3号桥墩墩高分别为7 m、14 m、17 m及12.5 m。其中0号、3号桥墩采用实体式墩，1号及2号桥墩采用空心墩（2号墩为制动墩），基础采用钻孔灌注桩基础。上部结构为单箱单室的变截面梁高，桥面宽为16.5 m，其中行车道宽为11.25 m。抗震设防烈度为8度，场地特征周期为0.4 s，场地类别为Ⅱ类，抗震设计分组为第三组。

2　动力计算参数及有限元分析模型

该桥二期恒载（含桥面铺装、栏杆、防撞墙）约为66 kN/m。承台底桩基的边界条件简化成平动及转动弹簧模拟，计算模型考虑桩土共同作用，弹簧的刚度用m法计算。对于本桥以制动墩2号墩为例进行分析，其桩侧土为砂岩，取m=120 000 kN/m4。各墩桩基础的平动及转动弹簧计算参数列于表1。主梁及桥墩采用空间梁单元模拟，地震作用反应分析时，固定及活动支座均采用理想约束，本桥2号主墩为摩擦摆式固定支座，计算模型见图1。

表1　弹簧刚度表（转动：kN·m/rad；平动：kN/m）

图1　有限元计算模型

主桥主要抗震设计参数见表2。

表2　抗震设计参数表

结构系统无阻尼自由振动的频率和相应振型是结构体系的重要动力特征，同时它对于求解结构的动力反应也具有十分重要的意义。分析桥梁的动力特性是进行地震反应分析和抗震设计的基础，桥墩的自振特性分析的目的就是求出桥墩的自振周期和相应的振型。部分自振周期及相应振型描述列于表3，振型见图2～图5。

表3　自振特性及其相应振型表

图2　第1阶振型

图3　第2阶振型

图4　第3阶振型

图5　第10阶振型

3　E2地震作用下非线性时程反应分析［1-7］

3.1摩擦摆支座及特性

摩擦摆隔震支座是一种圆弧而滑动摩擦系统，具有较强的限位、复位能力以及耗能机制和良好的稳定性。该隔震支座具有两个重要的参数，与周期和刚度有关的凹面曲率半径和摩擦力有关的摩擦系数。当施加在支座上的水平荷载小于摩擦力时，整个结构的运动与没有隔震支座时一样，隔震支座不起作用。一旦水平荷载超过摩擦力，隔震支座就开始起作用，改变结构运动周期，耗散结构运动的能量。

摩擦摆隔震支座具有以下三个动力特性：（1）两个水平方向的变形具有摩擦滑移特性；（2）滑动后在水平剪力方向具有刚度特性，这是由于滑移面为球面所引起的，使得支座具有恢复力特性；（3）在竖直轴上具有间隙单元特性，即单元不能承受轴向拉力。

3.2摩擦摆支座隔震的非线性时程分析

（1）摩擦摆支座设计技术参数

摩擦摆支座的主要设计参数（见表4），依据表中的数值进行摩擦摆支座的技术参数设计。

在土建施工中，施工管理人员是施工管理，对施工过程中进行严格管控，并且遵守每一道施工工序的施工指令，并且施工人员要按照设计要求和标准规范进行施工，确保施工质量。同时对施工过程中的各项细节进行有效的监控，发现有工程质量问题存在，及时进行返修，并重视细节质量事项，使工程的质量监控随施工流程进行，施工质量得以保证，细节细部质量得到加强。

表4　一个支座主要设计参数表

摩擦摆支座的曲率半径取R=3.0～3.5 m时，摩擦摆系统的隔震周期=3.47～3.72 s，约为隔震前结构周期（1.35 s）的2.6倍左右，根据规范要求，需进行减隔震桥梁抗震分析。

（2）摩擦摆支座隔震非线性时程计算结果（见表5）

表5　2号墩非线性时程反应分析计算汇总表

（3）在E2水准地震波激励下，3条地震波的结构内力包络分析见图6～图9。

图6　顺桥向最大弯矩

图7　顺桥向最大剪力

图8　横桥向最大弯矩

图9　横桥向最大剪力

（4）典型地震波顺桥向激励作用下，2号墩内力时程曲线及支座滞回曲线见图10～图13。

图10　2号墩底弯矩时程曲线

图11　2号墩底剪力时程曲线

图12　2号墩顶位移时程曲线

图13　2号墩支座滞回曲线

（5）摩擦摆支座隔震效果分析

通过以上非线性时程反应分析可知，在E2地震作用下：

顺桥向：2号制动墩墩底弯矩、剪力分别为268 762 kN·m，16 123 kN。隔震后，E2地震作用下墩底弯矩、剪力均约为E1地震作用下60%左右。

横桥向：2号制动墩墩底弯矩、剪力分别为241 091 kN·m，15 532 kN。隔震后，E2地震作用下墩底弯矩、剪力分别约为E1地震作用下的70%、115%左右。

4　桥梁抗震性能验算

根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011），该大桥抗震设防类别为乙类桥梁。对于乙类桥梁，规范要求在E1地震作用下，桥墩及基础一般不损坏或不需要修复可继续使用。为此应对桥墩及基础的强度进行验算，以保证结构在E1地震作用下的抗震性能。

4.1抗震设计方案

通过两个抗震设计方案进行分析比较如下：

抗震方案一：摩擦摆支座在E1地震作用下可以发生摆动，进入耗能阶段。仅需要进行E2地震作用下的墩柱及基础的强度验算。由于本桥的制动力为932 kN，而制动墩的最大静摩擦力为3 240 kN，约为制动力的3.5倍。表明对于方案一，仅由静摩擦力就可满足桥梁的正常使用。

抗震方案二：摩擦摆支座在E1地震作用下不能发生摆动，但在E2地震作用发生摆动，进入耗能阶段。仅需要进行E1地震作用下的墩柱及基础的强度验算。2号墩支座顺桥向剪力为13 331 kN，最大静摩擦力为3 240 kN，可见由于该桥单跨跨度较大，E1地震作用下结构的反应较大，远大于制动力下引起的桥梁反应。因此，需通过设置剪力键及限滑动螺栓，补充水平抗力，注意减隔震后梁缝的细部构造及防落梁措施。

4.2桥梁抗震性能验算

（1）桥墩的抗震承载能力验算

2号桥墩采用空心圆端形截面，截面尺寸为11.0 m（横向）×4.0 m（纵向），壁厚为0.7 m。按钢筋间距为12 cm布置两层，截面配筋率为1.4%。桥墩的抗震验算结果见表6。

表6　桥墩抗震承载力验算比较表（弯矩kN·m；轴力kN）

a.对于抗震方案一，在E2地震作用下（考虑E1地震作用摩擦摆减震，采用非线性时程反应分析结果），各墩在顺桥向及横桥向的抗弯承载能力能满足现行抗震规范要求，达到了“大震不坏”的抗震设防水准。

b.对于抗震方案二，在E1地震作用下（不考虑E1地震作用摩擦摆减震，采用线性反应谱反应分析结果），2号墩在顺桥向的抗弯承载能力不能满足现行抗震规范要求。

（2）桩身抗弯承载能力验算

桩基础均为钻孔灌注桩基础，2号墩桩基础的桩径为2.0 m，截面配筋率为2.0%。桩身内力及验算结果见表7。

表7　桩身抗弯承载力验算分析表（弯矩kN·m；轴力kN）

a.对于抗震方案一，在E2地震作用下（考虑E1地震作用摩擦摆减震，采用非线性时程反应分析结果），各墩桩基础在顺桥向及横桥向的抗弯承载能力能满足现行抗震规范要求，达到了“大震不坏”的抗震设防水准。

b.对于抗震方案二，在E1地震作用下（不考虑E1地震作用摩擦摆减震，采用线性反应谱反应分析结果），各墩桩基础在顺桥向及横桥向的抗弯承载能力能满足现行抗震规范要求，达到了“大震不坏”的抗震设防水准。

5　结　论

本文通过对某黄河大桥摩擦摆隔震支座这一新型结构型式在地震作用下的非线性时程分析研究，对比固定结构和摩擦摆结构在地震作用下的反应，通过地震反应分析及抗震验算，可知摩擦摆隔震系统能有效地降低结构的各种反应，达到隔震的目的，得出如下的主要结论：

（1）通过非线性时程反应分析，建立摩擦摆支座内力曲线与滞回曲线，认为摩擦摆隔震系统能较好地克服其他支座水平抗剪承载力不足的缺陷，与非隔震方案相比，摩擦摆隔震方案有更高的安全储备。

（2）通过建立两种方案的动力分析模型，比较分析提出该桥的抗震评估准则，包括抗震设防“小震不坏、中震可修、大震不倒”三个设防目标，对未隔震方案和隔震方案情况进行抗震性能对比分析，给出评估指标与2号墩需通过设置剪力键及设置限滑动螺栓，补充水平抗力的建议。

（3）对于垂直地震作用对隔震体系的影响尚待研究。摩擦摆减隔震系统在有竖向地震作用下，结构是否会出现倾覆或不稳定状况，是否会影响到内部构造的正常工做等问题，需要认真考虑和进一步研究。

［1］CJJ166-2011，城市桥梁抗震设计规范［S］.

［2］CJJ11-2011，城市桥梁设计规范［S］.

［3］GB50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［4］JTG D62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［5］吕西林，叶骅.结构主动控制和混合控制的新发展［J］.世界地震工程，1997（2）:21-29.

［6］周福霖.工程结构减震控制［M］.北京:地震出版社，1997.

［7］沈聚敏，周锡元，高小旺，等.抗震工程系［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

U443.36

A

1009-7716（2016）01-0080-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.023

2015-09-10

卫菊瑞（1975-），女，山西沁县人，高级工程师，从事城市道路与桥隧工程设计研究工作。