雙曲面球型減隔震支座在大跨徑梁橋中的應用

梁浩杰（佛山市新城開發建設有限公司，廣東 佛山 528000）

雙曲面球型減隔震支座在大跨徑梁橋中的應用

梁浩杰
（佛山市新城開發建設有限公司，廣東 佛山 528000）

摘要：本文闡述了雙曲面球型減隔震支座的關鍵結構要求、工作原理、力學特性及其結構原理，為了減小地震引起橋梁結構的破壞和提高橋梁結構的抗震性能，采用雙曲面球型減隔震支座作為本工程的支座類型。本文結合佛山新城區某168m主跨連續箱梁橋的工程實例，主墩采用4個80000kN級GD減隔震球型支座，4個80000kN級DX減隔震球型支座。證明雙曲面球型減隔震支座非常適合于大跨徑橋梁的抗震設計，并在大跨徑橋梁中廣泛應用。

關鍵詞：雙曲面球型減隔震支座；連續箱梁；大跨徑

1　工程概況

佛山新城區某水道特大橋全長1036m，基中主橋上部結構采用（109+168+109）m跨PC連續箱梁， 單箱單室箱型斷面。頂板寬19.3m，底板寬9.7m（加設腹板下緣后全寬10.1m），兩側翼緣板懸臂長4.8m。箱梁梁高變化采用2次拋物線，根部梁高H根=10.5m，跨中及邊跨端部梁高H中=4.0m，H根/L=1/16，H中/ L=1/42。主墩下部結構采用左右分幅薄壁箱型空心墩，墩身于橫橋向兩側設為橢圓形。承臺采用左右分幅式承臺，并設0.5m厚的承臺封底混凝土。基礎采用群樁，單幅主墩由9根直徑2.5m的鉆孔灌注樁組成。由于該項目位于新城區中心城區，除了注重安全、經濟、適用，適當兼顧美觀，并與周邊規劃環境協調。該處水道分南北兩個航道，其中南航道槽較深，航跡線偏于南側，較為順直，為其主要航道，橋軸線法線方向與水流主流向的交角為6°。

圖1　固定雙曲面球型減隔震支座結構示意圖

近幾十年來我國幾次大地震的發生，以及因此造成的巨大的經濟損失和人員傷亡已引起社會以及工程設計人員、科研人員的注意和高度重視。橋梁工程作為生命線工程中的一部分，在地震中損害所造成的直接經濟損失、以及隨后中斷交通所引起的間接經濟損失都是十分巨大的。因此，減隔震設計方法是一種比較新的橋梁抗震設計方法，其在橋梁抗震中的應用在最近二三十年的時間里得到了廣泛的發展。減隔震技術在橋梁結構中的應用往往是通過減隔震支座來實現的。

2　雙曲面球型減隔震支座的關鍵結構要求

①摩擦副——滑板分片鑲嵌結構

考慮到對于大噸位雙曲面球型減隔震支座，摩擦副采用大塊滑板鑲嵌結構時，因滑板鑲嵌坑約束力不足，而滑板與鋼件的粘結耐久性不足，只能作為臨時固定使用，長久使用滑板易從鑲坑中蠕變擠出。并且大板板材力學性能不易穩定，因此本項目不得使用大塊滑板鑲嵌結構。

本項目研發的支座擬采用分片鑲嵌技術對填充聚四氟乙烯復合夾層滑板進行局部約束，以進一步提高滑板的許用壓應力和支座的承載力，而且標準滑片力學性能穩定。

②摩擦副——球面包覆不銹鋼結構

為保證雙曲面球型減隔震支座摩擦副壽命長久，與四氟滑板偶對的上座板凹球面和中座板下凸球面，不得使用電鍍硬鉻做為鋼件表面處理方案，要求必須采用球面包覆不銹鋼滑板結構，即在雙曲面球型減隔震支座的上座板的凹球面上及中座板下凸球面上貼覆一層不銹鋼滑板。其優點是避免了采用電鍍硬鉻帶來的支座鋼件保護不足發生腐蝕問題，同時也避免電鍍操作對環境造成污染。同時，兩個球面摩擦副采用同樣的不銹鋼+四氟滑板偶對材料，保證了支座摩擦副的滑移性能和支座的減隔震性能的穩定性，也使整個支座的使用壽命大大延長。

③支座的安全設計要求

為了保證支座設計的安全性和可靠性，確保大橋的正常運行，在支座的結構設計上須要按照本技術要求規定的結構形式進行設計，不得為節省成本而擅自更改支座內部結構。根據計算，80000kN支座理論重量約為45t，10000kN支座理論重量約為5t，支座的實際重量跟理論重量的誤差不得超過-5%。

3　雙曲面球型減隔震支座的工作原理及其結構原理

雙曲面球型減震支座將普通球型滑動支座的平滑動面改為大半徑球面，結構上包括一個具有滑動凹球面的上支座板、一個具有雙凸球面的中支座板和一個具有轉動凹球面的下支座板，滑動球面和轉動球面的摩擦副都是由不銹鋼板和聚四氟乙烯板組成的。雙曲面球型減隔震支座的作用機理比較簡單，橋面支承在可滑動的上支座板上，在常用荷載作用下，由于限位螺栓的作用，不允許有相對滑動，相當于固定支座（如圖1所示）；當地震發生且水平縱向超過預定值時，縱向限位裝置的抗剪銷和安全螺釘被剪斷，支座的縱向限位約束被解除，大半徑球面摩擦副縱橋向進行自由滑動，通過摩擦阻力逐漸消耗地震能量。同時，延長了結構自振周期，達到減震的效果；而地震過后，結構自重又可形成回復力，使支座復位。支座的滑動將使橋梁結構的基本周期延長，達到隔震的目的；滑動球面間的摩擦作用實現了耗能，從而達到減震的目的。

對于固定支座對于單向雙曲面球型減隔震支座（如圖1所示），在正常運行和地震兩種工況下，支座縱橋向均可自由滑移，同固定支座縱向限位約束解除后工作原理一致。

4　雙曲面球型減隔震支座檢測工作的重要性及檢測參數

目前，該類型支座的國家標準尚未完善，而由于支座受力復雜性，使用前必須進行檢測、試驗合格后方能使用。本項目根據項目的實際情況，結合設計相關要求，與曾有相關檢測經驗的上海同濟建設工程質量檢測站進行研究，本項目支座產品的試驗檢測項目部分參考GB/T17955-2009《橋梁球型支座》標準，部分根據支座特性綜合制定而成。檢測內容主要有如下四個方面：

①支座豎向壓縮變形：支座在設計載荷作用下，支座的豎向壓縮變形應小于支座總高的1%。

②支座滑移摩擦系數：支座在曲后滑移過程中，滑移摩擦系數在0.02~0.03之間。

③支座屈后滑移剛度：支座在曲后滑移過程中滯回曲線的斜率為屈后滑移剛度。

④支座自回復能力：檢測支座在最大設計位移處是否具備有向中心位置回復的能力。

5　雙曲面球型減隔震支座在大跨徑梁橋的抗震優越性及廣泛應用

近年來，我國交通建設事業的發展取得了巨大的成就，大跨徑連續梁橋、連續剛構因其受力簡單合理、整體性好、耐久性好、行車舒適、造價經濟等優點，在公路橋梁建設中得到了廣泛的應用。但是我國是一個強震多發的國家，地震烈度等于或大于7度的地區占國土總面積的1/3，突發的強烈地震會使建設成果毀于一旦，這就要求我們必須重視橋梁設計的抗震減災工作。

大跨徑連續剛構由于采用墩梁固結的結構形式，順橋向、橫橋向整體剛度大，地震作用時上下部結構產生地震力主要通過下部結構“硬抗”，因此下部結構必須具有較高的強度，故造成了橋梁造價的大幅增加，因此，大跨徑連續梁橋目前有幾種常用的抗震措施。通常采用的是在少數幾個橋墩的上方布置抗震支座，其余橋墩上布置滑動支座的方法。在順橋向地震作用下，布置滑動支座的橋墩幾乎不承受上部地震力，全聯上部主梁的地震力幾乎全部由固定支座墩承受；若固定支座被剪壞，橋梁順橋向失去約束，極易造成落梁；若固定支座橋墩被剪壞，則會產生全聯倒塌的嚴重破壞，設置減隔震支座來改善結構的抗震性能。這些支座具有高阻尼、高耗能、低剛度、大變形、耐腐蝕等特性，能夠保證正常的支承豎向荷載、溫度變形、收縮徐變變形的要求，在地震作用下，可以耗散地震能量，減小上部結構的慣性力，從而保護主體結構不出現損傷。由于支座是附屬結構，更換方便，因此減隔震設計是最為經濟、有效的抗震設計方法。

國內外橋梁上使用的減隔震支座主要包括高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、雙曲面球型減隔震支座。雙曲面球型減隔震支座與其它兩種支座相比，具有承載力大、構造簡單、耐久性好，并能提供可靠回復力的優點，因而成為結構減隔震設計的首選。

結語

雙曲面球型減隔震支座具有可以提供幫助上部結構回到初始位置的回復力，有效延長減隔震結構的自振周期，并且可以提供穩定可靠的阻尼耗能。因此，該支座具有理想的減隔震能力，完全能夠滿足橋梁抗震設計的要求。本文通過對雙曲面球型減隔震支座的關鍵結構要求、工作原理、力學特性及其結構原理的描述，以及比較了剛構體系和采用雙曲右球型減隔震支座的連續箱梁體系的抗震結果，證明了使用雙曲面球減隔震支座的優越性，因此證明了雙曲面球型減隔震支座在大跨徑連續梁橋中作為一種新型的減隔震技術得以廣泛應用。

參考文獻

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[3]彭天波，李建中，范立礎．雙曲面球型減隔震支座的開發及應用[J]．同濟大學學報，2007，35（02）．

中圖分類號：U44

文獻標識碼：A