减隔震技术在高烈度地区混凝土梁桥中的应用

韩善剑，邢 智

(1.海南省交通规划勘察设计研究院，海南 海口 570206；2.中交第一公路勘察设计院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18036—2015),海口市及其周边区域基本地震动峰值加速度达0.3g，强震区范围进一步扩大，选择经济合理的结构体系、设计方案是重点公路桥梁设计中的重点和难点。《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)已颁布实施多年，强震区的地震作用效应较大，对桥梁下部结构的强度和变形能力要求更高，传统的桥梁抗震设计已难以满足新形势要求。海南正加快建设中国国际旅游岛和特色自由贸易港，提高海南全域交通基础设施建设水平，在高烈度地区建设结构安全的桥梁，采取有效措施降低桥梁在地震中发生破坏的程度，是广大桥梁建设者的重要工作，也是桥梁建设领域的研究热点。混凝土连续梁桥和刚构桥梁是海南公路建设中的主要桥型，也是内地桥梁建设中应用最广泛的桥型，对混凝土连续梁桥进行抗震研究十分必要。

近年来，部分学者持续对混凝土桥梁进行了抗震分析和探讨。龚一琼等以五跨连续梁桥为例，将传统的抗震支座调整为减隔震支座，利用塑性铰耗能研究得出在地震荷载作用下桥墩均处于弹性状态，有效改善了桥梁下部结构的受力性能，达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求[1]。郭磊等采用将固定盆式支座调整为活动盆式支座与弹塑性耗能装置的组合，改善了桥梁结构的抗震性能[2]。余钱华等通过调整支座约束类型，分析横桥向、纵桥向弯矩及支座位移的变化，提出了大跨长联连续梁桥的固定支座布设优化方案[3]。陈思佚以临沂东互通主线桥为例，通过时程分析得出，采用摩擦摆减隔震支座，多数桥墩处于弹性状态，仅有个别桥墩刚刚进入塑性，安全储备和经济效益均较高[4]。冯克岩等针对大跨连续梁桥固定墩底承受全桥主要弯矩、剪力的情况，研究得出可增加弹塑性减震耗能装置改善结构的抗震受力性能[5]。杨亮等总结出，固定支座墩承受大部分的地震力经济效益较差，优化采用弹塑性减震耗能装置可大幅减小桥墩所受地震作用响应，同时可大幅降低主筋的配筋率[6]。方海等通过分析提出，采用铅芯橡胶隔震支座和黏滞阻尼器的组合方案优化桥墩地震工况下的受力状态[7]。邓继华等以延性抗震和减隔震为研究对象，分析得出墩底的内力、位移与屈后刚度、弹性刚度比值的相关联程度[8]。

结合近期设防烈度较高的钢筋混凝土公路梁桥的抗震设计理念和方法的不断发展，本文以海南龙塘大桥为工程背景，利用MIDAS有限元分析软件，在地震动输入下进行时程分析，对比采用减隔震技术前后桥梁的内力、位移等指标的变化，考虑摩擦摆减隔震支座和滑动支座摩擦的非线性因素，探讨大跨径混凝土梁桥在地震作用下的结构响应，分析不同类型桥梁如何选择适宜的支座和布设方案，总结地区应用经验。

1 工程概况

龙塘大桥是省道S202跨越南渡江的重要桥梁，主桥跨径组合采用56 m+100 m+56 m，桥梁高跨比约0.3。上部结构采用变截面预应力混凝土结构，材料为C55混凝土，左、右分幅设置，单箱单室，单幅桥宽11.75 m，主墩处梁高6.2 m，跨中及边横梁高2.5 m。下部结构主墩采用矩形空心墩，边墩采用矩形墙式墩，C40混凝土，钻孔灌注桩基础。为便于后续说明，分别对桥墩编号为D4、D5、D6和D7。

2 抗震设防标准与性能目标

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)(以下简称“细则”)第3.1.1条，E1地震作用下设防目标是“一般不受损伤或不需修复可继续使用”；E2地震作用下设防目标是“保证结构不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固修复后可供维持应急交通使用” 。 E2地震作用下，在纵、横桥向地震激励下，墩柱各关键截面最不利地震弯矩需求小于等效屈服弯矩，截面保持弹性工作状态为宜，在预估配筋率下，各关键截面均能满足抗震性能目标。根据细则，龙塘大桥为常规桥梁，抗震设防类别为B类。桥址区域场地类别为Ⅱ类，设计基本地震加速度值为0.30g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，抗震设防烈度为8度；采用50年50%超越概率(E1，简称P1概率,对应地震重现期75年)和50年5%超越概率(E2，简称P2概率，对应地震重现期1 000年)2种超越概率地震动进行抗震设防。

3 反应谱和时程作用参数

根据桥址区场地的地震动特性，选择在不同超越概率下对应的地震动参数和设计反应谱。地震动峰值加速度为0.30g，混凝土桥梁阻尼比采用0.05。表1为水平地震动峰值加速度及反应谱参数。

表1 场地地表水平向地震动峰值加速度及反应谱参数值(阻尼比5%)

根据《海南省龙塘南渡江大桥项目工程场地地震安全性评价报告》，选取其中50年5%超越概率的加速度时程曲线进行桥梁结构非线性地震反应分析。图1为50年50%超越概率的加速度时程曲线，图2、3为其中2条50年5%超越概率的加速度时程曲线。

图1 50年50%超越概率的地震加速度时程曲线

图2 E2地震加速度时程曲线1

图3 E2地震加速度时程曲线2

4 反应谱与时程结果对比分析

4.1 基本参数

运用MIDAS CIVIL软件建立本桥有限元动力计算模型，顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴；主梁、墩柱采用弹性梁单元模拟，单元质量通过杆端节点质量效应模拟；承台近似按刚体模拟，其质量通过承台质心节点质量效应模拟；桥墩底与承台中心及桩顶中心节点用主从约束相连接。主梁的一期恒载由单元截面面积与密度相乘得出，二期恒载通过线质量荷载形式加载至梁单元上；桩土间的共同作用采用土弹簧来模拟，动力模型如图4所示。

图4 桥梁动力模型

支座布置如图5所示。E1地震分析时，不考虑减隔震支座的抗震性能，按普通支座进行考虑。支座采用弹性连接模拟，竖向刚度取107kN·m-1，水平约束方向的刚度取106kN·m-1。E2地震分析时，地震作用应考虑减隔震支座的影响，按照《公路桥梁摩擦摆式减隔震支座》(JTT 852—2013)相关规定，拟定采用的摩擦摆减隔震支座特性如表2所示。

图5 支座布置

表2 摩擦摆减隔震支座参数

4.2 反应谱作用分析

采用常规约束体系，即盆式橡胶支座，在E2反应谱作用下，主墩、边墩控制截面内力计算结果如表3所示。

由表3可知：在E2反应谱作用下，主墩控制截面弯矩超越了截面的等效屈服弯矩值，即主墩底截面已进入塑性状态；边墩控制截面弯矩与截面等效屈服弯矩值相近，即边墩底截面已接近塑性临界状态。由表3结论可知，传统抗震设计方法难以满足要求。

表3 E2反应谱作用下桥墩底控制截面内力

4.3 时程分析

提取地震E2最不利组合下，主墩的控制截面处内力，并结合各控制截面的M-φ曲线和P-M曲线，得到各截面的能力验算结果，如表4、5所示。

表4 E2时程作用下D5、D6主墩桥墩底控制截面内力情况

表5 E2时程作用下D4、D7边墩桥墩底控制截面内力情况

由表5可知，在E2时程作用下采用减隔震技术后，主墩、边墩控制截面弯矩远小于截面的等效屈服弯矩，即截面处于弹性状态，结构安全储备相对较大。

4.4 结构振动周期对比

桥梁结构自振周期与地震响应内力关联程度高，根据细则10.1.6条，采用减隔震设计桥梁的基本周期原则上应为常规体系桥梁的2倍以上，提取计算结果2个典型模态进行比较，结果见表6。

表6 不同约束体系地震响应比较结果(结构周期对比)

4.5 时程作用下支座位移分析

在E2时程作用下，D4、D7边墩和D5、D6主墩在地震作用下的最大位移验算结果如表7所示。

表7 纵桥向不同约束体系地震响应比较结果(支座位移响应比较)

由表7可知，D4、D7边墩和D5、D6主墩在地震作用下的最大位移验算满足要求，且较常规支座体系位移降幅明显。

4.6 两种约束体系下地震作用响应对比

纵桥向、横桥向地震作用下响应均较大，本文就常规体系与减隔震体系2种不同约束体系桥墩控制截面的地震响应进行内力比较，结果见表8。

表8 纵桥向不同约束体系控制截面地震响应比较结果(内力响应比较)

由表8可知，采用摩擦摆减隔震支座后，纵桥向加竖向地震作用相对常规体系，结构内力和位移响应显著下降，D4、D7边墩纵桥向、横桥向内力降幅分别为34%和43%，D5、D6主墩墩底内力降幅分别为76%和79%，边墩支座位移降幅约39%。结果表明，采用减隔震体系大幅减小了地震作用内力响应，支座位移控制响应在合理范围内，减震效果明显，可有效改善受力状况。

4.7 对比分析结论

(1)自振周期：采用减隔震技术后，第一、二阶结构自振周期分别增长2.31、2.68倍，振动频率大幅减缓，地震直接作用效应响应延缓，减震效果显著。

(2)内力：采用非减隔震体系，在地震波作用下固定墩墩底控制截面内力巨大，结构截面尺寸和配筋量需求均较大，采用减隔震体系，桥墩的顺桥向、横桥向减震率最高达76%和79%，横桥向减震效果更加敏感，对高能量地震减震效果好。采用减隔震体系后，预估配筋满足抗震性能需求。

(3)位移：采用减隔震体系，墩顶顺、横桥向的位移下降明显，均在20%以上。支座可有效恢复变形，主梁位移在容许控制范围内，桥梁更加安全。

5 结 语

(1)混凝土梁桥基本振动周期较小，场地条件相对较好，适用于细则规定的减隔震装置适用条件。结合当地工程经验，对于高跨比小于0.3的桥梁宜采用连续梁体系，慎用刚构体系。

(2)通过对常规约束体系、摩擦摆支座减隔震体系2种不同约束结构模型的内力、位移及周期进行分析计算，并进行对比可知，在纵桥向或横桥向地震作用下，摩擦摆支座减隔震体系不仅能够大幅减小全桥结构的地震内力响应，还能有效控制支座位移响应，对本桥非常有效，可推广应用。

(3)由对比结果建议延伸应用范围：一是基本地震动峰值加速度0.15g以上装配式结构桥梁(空心板、小箱梁)或中小跨径等截面现浇箱梁，可优先采用铅芯或高阻尼橡胶支座；二是基本地震动峰值加速度在0.10g及以下桥梁可采用常规抗震方案。