E型钢阻尼支座在连续梁桥中的应用

范佐银

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 E型钢支座简介

E型钢阻尼支座是将E型钢阻尼元件与支座整合到一起，使之兼有竖向支撑和水平滞回耗能的作用，具有结构形式简单，便于产品模数化等优点，尤其是可以大大简化相应连接构造装置的设计（见图1）。与E型阻尼元件结合的支座可以为盆式橡胶支座或者是球型支座，因此在竖向支撑上，完全具备支座的各项性能。

图1 E型钢阻尼支座构造图

E型钢阻尼支座的结构形式如下：E型钢支座的上下锚碇板（②、12○）分别固定于梁与桥墩之上，上下锚碇板之间是支座本体，支座侧面安装E型钢。支座本体为盆式橡胶支座，将橡胶盘⑩放置于钢制盆式底盘11○内，再将钢制活塞⑨置于底盆内的橡胶盘上。橡胶盘允许底盆和活塞之间任何方向的旋转，并和承载极大的竖向荷载而只产生微小变形。底盆内的橡胶盘能够平衡三个轴面的压力，其作用原理和油压缸内不可压缩液体的性能相同。水平力直接由活塞传递至底盘。如为固定型E型钢阻尼支座则支座本体为单向活动型，通过滑动板③与活塞的滑动，来满足位移的要求。滑动板与活塞之间为滑动材料。单向活动型支座通过导轨13○，引导滑动方向并传递水平力。支座在横运动方向的两侧添加E型钢⑦，通过销钉⑧、14○与焊接在滑动板和活塞上的耳板⑥、15○相连。若该支座在铁路上使用，可以使用保险销⑤使焊接与滑动板的耳板④和活塞上的耳板⑥连接，使之在较小水平力的时候滑动板与活塞无位移，且E型钢不受力，当遇到较大水平力时，保险销剪断后E型钢受力产生作用。

2 E型钢支座的滞回性能

E型钢阻尼支座滞回曲线接近于完美弹塑性体，近似双线性，E型钢阻尼支座的数学模型如图2所示。

图2 E型钢阻尼支座的数学模型

对于成型的E型钢阻尼支座产品，屈服位移通常取10～15 mm，极限位移均取屈服位移的10倍，极限荷载则为屈服荷载的1.15倍，非线性计算中滞回曲线按理想双线性力学模型。由此可见，成型的阻尼支座荷载-位移关系仅由屈服荷载参数唯一确定，参数设计中只需要选择合适的屈服荷载，并验算其需求即可。E型钢阻尼支座的滞回曲线可用方程（1）和（2）来描述。

式中：r、k、Fy 由试验确定；α、β被用于计算 s值。

弹性刚度（k）：结构屈服前的初期刚度；

屈服强度（Fy）：结构的屈服强度；

屈服后刚度与弹性刚度之比（r）：屈服后的切线刚度与初期弹性刚度之比；

屈服指数（s）：决定屈服位置曲线形状的参数（该值越大，曲线越接近双线性模型）；

滞回循环参数(α)：决定恢复力曲线形状的参数；

滞回循环参数(β)：决定恢复力曲线形状的参数。

3 工程实例分析

3.1 有限元模型

本文取天水经济开发区（社棠工业园）一号桥工程主桥（41+58+58+58+41）m连续梁进行分析，连续梁墩高为10 m，基础由摩擦桩群组成。梁体截面为箱型梁，梁高的板厚均随跨距变化，以提高梁体的抗弯及抗扭惯性矩。在分析中，每跨箱型梁体划分成10～30个梁单元不等，墩依据高度及截面不同，由不同的单元数组成。在计算中，梁体重量荷载直接转化成单元节点质量，同时也将二期恒载作为质量附加在梁上。图3为五跨连续梁有限元模型，各跨桥墩的墩高不同。

图3 有限元模型

3.2 减隔震效果计算

本文对（41+58+58+58+41）m连续梁共进行了两种工况的计算：（1）未设置E型钢阻尼支座工况，该工况下固定支座处采用刚性连接单元（释放转动自由度），同样的滑动支座将释放其滑动方向自由度及转动自由度。（2）设置E型钢阻尼支座工况，该工况下在横桥向设置了E型钢阻尼器支座。

针对以上两种工况，取三条地震安全性评价报告提供的地震波，采用非线性时程法对该桥进行了地震响应分析，计算出了两种工况下桥墩控制截面的内力。根据内力对比值可以看出E型钢阻尼支座的减震效果，见表1～表3所列。

从表1数据可以看出，墩顶的剪力降低了88%以上，墩底弯矩降低了77%；从表2数据可以看出，墩顶的剪力降低了82%以上，墩底弯矩降低了77%；从表3数据可以看出，墩顶的剪力降低了87%以上，墩底弯矩降低了83%。这说明了安装E型钢支座效果非常理想，在罕遇地震下只要求墩顶能承受4134 kN剪力、墩底要求承担36420 kN·m即可。显然这样的荷载桥墩是很容易设计的。

表1 边墩 E型钢阻尼支座的减震效果一览表

表2 第二个桥墩 E型钢阻尼支座的减震效果一览表

表3 第三个桥墩 E型钢阻尼支座的减震效果一览表

4 结语

通过三种罕遇地震波的时程分析，未设置E型钢阻尼支座墩的受力相当大，目前墩的截面尺寸无法满足。E型钢阻尼支座在桥梁横向可以有效地减小墩顶的最大弯矩及剪力，尤其对于减小墩底弯矩的作用显著，可解决高震区桥墩设计的难点。

三种罕遇地震荷载下E型钢阻尼支座滞回曲线均符合试验结果，接近完美弹塑性体，（41+58+58+58+41）m连续梁桥需要的滞回位移为120 mm，只要梁缝大于120 mm，就不会引起梁之间的碰撞。

通过对(41+58+58+58+41)m连续梁桥抗震分析，可得出选用E型钢阻尼支座能够抵抗8度地震区的罕遇地震，而且在罕遇地震作用下，墩自身并未进入塑性，仅仅是E型钢支座中的E型阻尼元件发生了塑性耗能，地震后仅仅需要更换E型元件即可，而支座的主体仍然可以使用。我国的城市桥梁抗震设计规范要求“小震不坏、中震可修、大震不倒”，而使用E型钢阻尼支座后抗震水平得到了进一步提高“小震不坏、中震大震仅更换阻尼元件”，从这个角度上讲，选用E型钢阻尼支座的工程经济性不仅仅反映在目前工程投入费用的降低，更是大大降低了震后修复的费用。

[1]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.

[2]范立础,王君杰,陈玮.非一致地震激励下大跨度斜拉桥的响应特征[J].计算力学学报,2001,18(3):358-363.

[3]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[4]胡聿贤.地震工程学[M].北京:人民交通出版社,1990.

[5]范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7]李建中,袁万城.斜拉桥减震、耗能体系非线性纵向地震反应分析[J].中国公路学报,1998.

[8]林家浩,张亚辉,赵岩.大跨度结构抗震分析方法及近期发展[J].力学进展，2001，31(3)，350-360.