摩擦摆支座在大跨预应力混凝土梁桥抗震设计中的应用

丁 毅，孙晓珍

（1.山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031；2. 山东城市建设职业学院，山东 济南 250103）

引言

大跨度公路桥梁一般都是交通运输的重要环节，它的破坏直接影响到整条路线的贯通，修补时间长，社会影响大。因此，如何对大跨度公路桥梁进行正确的抗震分析，防震于未然，是抗震研究和设计的重中之重。

随着人类与地震灾害的不断斗争，人类对地震的认识也逐渐深入，抗震设计理论也由简化静力理论发展为动力理论，目前国内外常用的抗震理论主要为反应谱计算法和时程分析法。

1 工程概况

现行《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）要求，对于A类、B类和C类桥梁必须进行E1和E2地震作用的抗震设计，见表1。

本桥位于某高速公路，主跨跨径组合为60 m+100 m +60 m，上部采用单箱单室的变截面连续箱梁，中支点梁高为6 m，跨中梁高为2.5 m，桥面宽为16.5 m，底板厚度为30～80 cm，腹板厚60～80 cm，桥墩为矩形截面，见图1～图4。

图1 桥型布置/cm

图2 主梁横断面/cm

图3 主墩立面 /cm

图4 边墩立面/cm

表1 主要地震指标

该桥梁属于B类桥梁，其抗震设防目标是小震（E1地震作用，重现期约为50～100 a）下，结构一般不受损坏或不需修复即可继续使用；大震（E2地震作用，重现期约为2 000 a）下，结构倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可维持应急交通使用。

2 计算分析模型

本桥位于高震区，桥梁采用减隔震支座体系，属于非规则桥梁，因此采用时程分析法建立模型进行地震分析。根据桥梁结构自身的特性，采用有限元分析软件Midas Civil建立全桥有限元模型，主梁、墩柱及桩基均采用梁单元模拟，见图5。

图5 有限元模型

2.1 支座模拟

常规桥梁支座既要承受上部结构传递过来的竖向荷载，又要调节结构各项位移和转动，很难满足地震大位移的需求，地震力作用下往往最先被破坏，与能力保护构件原则相违背。FPQZ支座隔震工作原理，见图6。

图6 单摆工作原理

FPQZ支座隔震消能原理是利用圆弧滑动面的设计来延长桥梁结构的振动周期，降低地震响应，并且通过滑动面之间的摩擦耗散地震能，进一步降低地震响应。FPQZ支座工作的回复力模型用荷载-位移的水平滞回曲线模型模拟，见图7。图中：μ—动摩擦系数；W—竖向荷载，kN；Kp—支座初始刚度，kN/m；Keff—支座等效刚度kN/m；D—减隔震位移量，mm。

图7 荷载-位移滞回曲线

支座布置方案见图8。

图8 支座布置方案

计算模型采用双折线弹塑性弹簧单元进行支座模拟，根据表2内容选取连接单元滞回曲线参数。

表2 FPQZ支座设计参数

支座其它参数：摩擦摆支座限位锚栓的剪断力一般为其竖向承载力的10%，采用支座对应的设计剪断力分别为450 kN和3 000 kN。

隔震周期：

摩擦摆支座的曲率半径R=4.0 m时，其隔震周期为4.01 s。

2.2 桩-土作用模拟

依据细则[2]第6.3.8条，建立桥梁抗震分析模型应考虑桩土的共同作用，桩土的共同作用可用等代土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度可采用表征土介质弹性值的m参数来计算。动力计算时，土抗力的取值比静力大，一般取（2～3）倍m静，本文m动取m静的2.5倍。

2.3 地震激励的选取

考虑到地震的随机性，设计加速度时程不小于3组，且应保证任意两组间同方向时程的相关系数绝对值小于0.1。时程分析的最终结果，当取3组计算结果的最大值。

该桥场地地震安全性评价报告在地震危险性分析的基础上，《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010），并依据重要工程反应谱的确定原则，确定工程场地设计地震反应谱：

式中：Sa（T）—周期为T时的反应谱值；T—反应谱周期，s； Amax—峰值加速度，cm/s2；T0、Tg—反应谱拐点周期，s；βm—反应谱放大倍数最大值；C—衰减系数。

本桥地表5% 阻尼比50 a、100 a不同超越概率水平向、竖向设计地震动参数见表3。

表3 地震动参数

根据所提供的反应谱参数，人工合成3条时程波，见图9。

图9 E2地震时程波

3 抗震分析

3.1 抗震设防标准与目标

设计采用E1地震作用和E2地震作用两种地震水平进行抗震设防。参考相关规范要求以及类似大桥的研究成果，确定抗震性能目标：（1）遭受E1地震作用时，不剪断3号制动墩支座的抗剪螺栓、FPQZ支座不发生滑动，全桥为抗震体系、墩柱保持弹性不发生损伤。（2）遭受E2地震作用时，剪断3号制动墩支座的抗剪螺栓、FPQZ支座发生滑动，全桥为减隔震体系、墩柱保持弹性不发生损伤。（3）支座为能力保护构件，结构进入减隔震体系后，支座能有效发挥其功能，结构整体位移可控。

3.2 时程分析结果

3.2.1 隔震周期

经过计算，采用普通球形支座时，桥梁震动周期为0.93 s，改用FPQZ支座后，震动周期延长至2.41 s，周期增加了1.6倍，周期延长效果明显。

3.2.2 位移反应

由于桥梁为近对称结构，表4、表5仅列出1#墩和2#墩的相关位移和变形值。

表4 E2作用下纵桥向位移/cm

表5 E2作用下横桥向位移/cm

支座在E2作用下发生最大21.6 cm左右的变形，根据该计算的最大位移，取支座球面摆动位移所能达到的最大值即设计减隔震位移量值为25 cm，变形小于支座允许位移量，支座在恢复力作用下可逐渐恢复至初始位置。

3.2.3 桥墩内力反应

当采用普通球形支座时，固定支座置于中间主墩顶，经计算，E1作用下，该支座所对应的桥墩墩顶理论水平力为12 600 kN；E2作用下为54 100 kN，但球形支座一般在水平力大于其承载力10%后就会剪切破坏。支座作为一个能力保护构件，它的破坏很可能导致落梁等重大灾害的发生。

表6 E1作用下桥墩纵桥向内力

可以看出：E1作用下，墩顶水平剪力小于剪断力；E2地震作用下，墩顶最大水平剪力超过限值，限位装置被剪断，桥梁进入减隔震体系。边墩主筋配置为单层Φ28的HPB400钢筋，主墩为双层Φ28的HPB400钢筋，间距均为10 cm。E2作用下边墩和主墩的最大裂缝宽度分别为0.11 mm和0.16 mm，小于0.2 mm的限值要求，整个截面保持在弹性工作状态，结构基本无损伤。在地震力作用下，采用FPQZ支座的桥梁结构受力状况良好，能达到预计的设防标准和目标。

表7 E2作用下桥墩纵桥向内力

4 结语

（1）FPQZ支座能延长结构的震动周期，达到消耗地震能量的目的，有效降低桥墩受到的地震水平剪力和弯矩，使墩柱一直处于弹性受力状态，从而避免地震对下部及基础的破坏。同时，该类型支座允许发生大的变形且可恢复，地震作用下不易损坏，有效防止了落梁等病害的发生。（2）抗震设计是一个比较复杂的过程，设计中应针对不同的桥梁类别，采用合理的计算方法，并采取行之有效的抗震措施和抗震体系设计，确保桥梁结构小震不坏，中震可修，大震不倒。