矮墩大跨度长联预应力连续梁桥的减隔震支座性能研究

袁安华

（福州市规划设计研究院，福建 福州350001）

0 引 言

“生命线工程”是指维持城市生存功能系统和对国计民生有重大影响的工程，主要包括供水、排水、电力、燃气及石油管线、电话和广播电视、大型医疗系统、公路和铁路等交通系统工程等。公路是生命线工程中最重要的组成部分，在抗洪及地震灾害中发挥至关重要的作用，其中桥梁又是公路中的重要节点，因而其抗灾害能力直接影响到救援和后勤保证[1]。

本文以实际的工程实例为依据，重点讨论矮墩大跨度连续梁桥抗震性能设计，旨在保证设计安全的前提下，最大可能的减少构件重量，节省造价，并能使桥梁在地震作用下保证其使用性能，确保生命线工程的畅通[2，3]。

1 桥梁减隔震设计及建模

1.1 模型工程基础资料概况

新南港大桥跨越大樟溪和陈厝河，全长1338m，主桥为70 m+120 m×4+70 m的预应力混凝土连续梁桥，桥宽50 m。

上部为单箱单室直腹板变高度变截面箱形梁，梁高及底板厚度按1.8次抛物线变化，跨中梁高3 m，底板厚0.32 m，中支点截面梁高7.4 m，底板厚2.5 m，主桥梁高抛物线方程为：y=0.002992612985x+3.0（m），其中 0≤x≤57.5；箱梁底板上缘抛物线方程为：y=0.00261184428x+2.68（m），其中0≤x≤54。下部主桥墩为钢筋混凝土花瓶墩（6.5 m×3.8 m），边墩为钢筋混凝土花瓶墩（6.5 m×2.5 m）。

1.2 三维有限元动力计算模型

新南港大桥主桥为六跨预应力混凝土连续梁桥，主跨120 m，为减小地震对连续梁桥的破坏，可以通过设置隔震支座来达到减小结构内力和位移的目的。综合以往工程经验，选取三种隔震方案，分别为铅芯橡胶支座、减振球型支座和摩擦摆支座。为有效探讨三种支座在地震力作用下的防震效果，以固定支座（15号墩）为中心设置三种方案。

方案一，14号、15号和16号墩梁之间采用铅芯橡胶支座，方案二，14号、15号和16号墩梁间采用减振球型支座，方案三，在14号、15号和16号墩梁间采用摩擦摆支座，由此建立了考虑纵桥向隔震的动力计算模型。

采用ANSYS有限元软件建立空间动力计算模型，如图1所示，主梁为鱼刺骨脊柱梁模型，采用BEAM1888单元模拟桥墩、桩及主梁，COMBIN40单元模拟支座，15号墩采用固定支座。采用M法模拟桩土相互作用。采用三维质量MASS21模拟二期恒载。模型中各构件截面特性、连接方式及边界条件均按实际情况确定。

图1 新南港大桥有限元计算模型

1.3 地震动输入

该项目地震动峰值加速度0.10g，地震设防烈度7度。新南港大桥的地震反应计算分析采用反应谱分析和时程分析两种方法。设计地震动反应谱曲线的具体数学表达式：

地震影响系数由公式（1）确定，

式中，Kh为地震系数；β（t）为设计地震动加速度放大系数反应谱。

式中：t为反应谱周期，s；T1为反应谱平台起点周期，s；Tg为反应谱特征周期，s；β（t）为对应于周期 t的相对反应谱值；βmax为相对反应谱的最大值；γ为衰减系数。

水平向设计加速度反应谱乘以下式给出的竖向/水平向谱比函数R为竖向设计加速度反应谱，其谱形参数与水平向相同。

式中：T为结构自振周期，s。

最不利场地北岸地表面反应谱计算如图2和图3所示。

图250 a10%地表面综合反应谱曲线

图3100 a 4%地表面综合反应谱曲线

在该项目进行的地震反应时程分析中，对于E1水准、E2水准分别进行3条输入地震动加速度的时程分析。E1水准、E2水准的地表面各条地震波时程曲线如下图4～图9所示。

图4 E1水准地震动时程（地表面）时程1

图5 E1水准地震动时程（地表面）时程2

图6 E1水准地震动时程（地表面）时程3

图7 E2水准地震动时程（地表面）时程1

图8 E2水准地震动时程（地表面）时程2

图9 E2水准地震动时程（地表面）时程3

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）[4]里第5.1.1条规定，该桥梁可只考虑水平向地震作用，可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。

2 抗震计算分析

2.1 内力分析

采用非线性时程分析法对新南港大桥进行了E1、E2水准下的地震响应分析，方案一铅芯橡胶支座、方案二减振球型支座及方案三摩擦摆支座的弯矩剪力对比如图10～图13所示。

图10 墩底最大纵向弯矩比较

图11 墩底最大纵向剪力比较

图12 桩顶最大弯纵向矩比较

图13 桩顶最大纵向剪力比较

可以看出，15#墩的纵向地震响应显著下降，在 E2水准下分别减少了 61.56%、66.23%和63.80%，相邻墩改为隔震支座后，地震响应稍微增加，但数值较小。

综合受力比较，减振球型支座和摩擦摆支座的竖向承载力更大，耐久性更好，性能更稳定。

3.2 位移分析

采用非线性时程分析法对新南港大桥进行了E1、E2水准下的地震响应分析，方案一铅芯橡胶支座、方案二减振球型支座及方案三摩擦摆支座的位移对比如图14和图15所示。

图14 主梁最大纵向位移比较

图15 墩顶最大纵向位移比较

3 结 语

采用全桥有限元模型对三种方案的减隔震支座的受力性能分析，摩擦摆支座通过较大的屈服后（摆动）刚度，使墩梁间的约束刚度能有效地控制支座位移。结合长联大跨连续梁桥的特点，摩擦摆支座能最大程度地减小地震的不利影响，有效提高超长联大跨连续梁桥的抗震性能。

作为重要传力构件的隔震支座，应具备足够的承载力，还应具备消能特性、刚度回复和耐久性等，综合考虑该桥最终采用摩擦摆支座。