采用復合隔震體系的泖港大橋抗震性能研究

王瑞龍

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

新建的上海泖港大橋為平行雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉橋，采用塔梁固接、塔墩分離的結(jié)構(gòu)體系，且墩高較矮，結(jié)構(gòu)剛度較大，在地震作用下結(jié)構(gòu)地震反應較大，因此應選取合理的減隔震措施[1]，降低結(jié)構(gòu)的地震響應，減少下部基礎工程量。

目前，大跨度橋梁的減隔震主要有以下兩種途徑：在活動支座處附加阻尼器或采用減隔震支座[2，3]。前者只能減小固定墩縱橋向的地震反應，且存在阻尼器的耐久性和養(yǎng)護問題。后者采用的減隔震支座主要有鉛芯橡膠支座和雙曲面球型減隔震支座。鉛芯橡膠支座所能承受的豎向荷載較小（一般不超過1 500 t），很難在大跨度橋梁中應用；雙曲面球型減隔震支座地震發(fā)生時剪切螺栓剪斷，支座開始滑動以減小下部結(jié)構(gòu)地震力，但該支座造價較高。

在綜合研究分析目前常用的減震支座原理、構(gòu)造、性能后，本著減震原理明確、構(gòu)造簡單、降低造價的原則，提出在該工程中采用常規(guī)球鋼支座處并聯(lián)疊層橡膠支座的復合隔震體系。其原理如下：在使用荷載作用下，其支承體系與常規(guī)球鋼支承體系性能相同，豎向荷載由球鋼支座承受，滿足使用荷載作用下的性能；在地震作用下，球鋼支座剪切螺栓剪斷，球鋼支座發(fā)生滑動提供摩擦耗能，而各墩上的疊層橡膠支座共同承受梁體水平地震慣性力，控制梁體位移，其恢復力模型如圖1所示。這一復合隔震體系的優(yōu)點在于結(jié)合了常規(guī)球型鋼支座的摩擦耗能性能和疊層橡膠支座的水平剪切性能，具有受力明確、構(gòu)造簡單、經(jīng)濟可行、減震效果好的特點。與常規(guī)的雙曲面減隔震支座減震方案相比，本方案減少約20%～30%的減震支座費用，具有較大推廣應用價值。同時，為確保基本不承受壓力的橡膠支座能夠提供足夠大的水平力，在橡膠支座頂?shù)酌娓髟O置一塊鋼板（橡膠和鋼板通過硫化工藝練成整體），橡膠支座頂?shù)卒摪逶俸土旱住⒍枕數(shù)念A埋鋼板焊接連接。

圖1 復合隔震體系恢復力模型

通過對泖港大橋采用球鋼支座并聯(lián)疊層橡膠支座的復合隔震體系，進行抗震性能研究，并對疊層橡膠支座的剪切剛度進行參數(shù)分析，研究方法及研究成果可供工程實踐參考。

2 動力分析模型

2.1 工程概況

新建泖港大橋為平行雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉橋，采用塔梁固接、塔墩分離體系，跨徑布置為110 m+225 m+110 m。主梁采用扁平鋼箱梁，中心高3.5m；主塔為鋼結(jié)構(gòu)箱形獨柱塔，截面尺寸為2.5 m（橫橋向）×4.5 m（縱橋向），橋面以上高60 m；斜拉索塔上索距3.5 m，梁上索距7 m，跨中無索區(qū)長度15 m，全橋共設4×13對斜拉索；主墩采用墻式墩，截面尺寸為19.4 m（橫橋向）×4.5 m（縱橋向），墩高9.5 m，內(nèi)設兩個空腔，橋墩壁厚1 m，基礎采用15根1.8 m的鉆孔灌注樁；輔助墩采用雙柱式矩形墩，間距15 m，截面尺寸為2.5 m（橫橋向）×2.2 m（縱橋向），墩高8.5 m，每個基礎采用4根1.2 m的鉆孔灌注樁；邊墩采用混凝土框架墩，間距15 m，截面尺寸為4 m（橫橋向）×3 m（縱橋向），墩高7 m，基礎采用14根1.2 m的鉆孔灌注樁。總體布置圖如圖2所示。

圖2 總體布置圖（單位：m）

2.2 計算模型

本文采用SAP2000有限元程序建立彈塑性動力計算模型。主梁、主塔、墩柱和斜拉索均采用空間梁單元模擬，其中拉索考慮拉索垂度和恒載作用對結(jié)構(gòu)剛度的影響（P-△效應）。承臺近似按剛體模擬，其質(zhì)量堆聚在承臺質(zhì)心，墩底與承臺中心及承臺底節(jié)點主從相連，通過在承臺底節(jié)點施加6個自由度的彈簧模擬樁土相互作用[4]。二期恒載以均布質(zhì)量形式加在主梁單元上。

球鋼支座滑動效應近似采用理想彈塑性連接單元進行模擬，其恢復力模型如圖1（a）。彈性恢復力最大值與臨界滑動摩擦力相等，即

式中：Fy為臨界摩擦力；xy為臨界滑動位移（取小值4 mm）；f為滑動摩擦系數(shù)，取0.02；N為支座所承擔的上部結(jié)構(gòu)恒載反力。計算時，滑動后剛度取極小值，近似為0。

疊層橡膠支座采用線性彈簧單元模擬，其恢復力模型如圖1（b），其水平剪切剛度為：

式中：Gd為疊層橡膠支座的動剪切模量，取1200kN/m2；Ar為橡膠支座的剪切面積；θx為橡膠層的總厚度。

泖港大橋僅在邊墩和主墩處設置疊層橡膠支座，輔助墩處不設置。

2.3 地震動輸入

該橋橋址處的地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1 g，場地類別為IV類，所屬的地震分區(qū)為2區(qū)。按《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T D02-01—2008）[5]規(guī)定，該橋抗震設防類別為A類，故本文地震動輸入采用E2地震作用下3條場地人工波（即50 a超越概率10%，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.7）。圖3（a）所示為3條人工地震加速度時程波對應的加速度反應譜曲線（阻尼比為0.03），圖3（b）為以人工波1為例列出的地震加速度時程曲線。可看出，3條人工波對應的加速度反應譜曲線與規(guī)范反應譜曲線擬合較好。

針對上述模型采用非線性時程分析方法，計算時地震動輸入分別采取“縱向+豎向”與“橫向+豎向”兩種方式（擬建場地地基土類型屬軟弱場地土，故豎向/水平向譜比函數(shù)R取0.5），地震反應的最終結(jié)果取3條地震波輸入計算出的最大值。

圖3 地震動輸入

3 疊層橡膠支座參數(shù)分析

經(jīng)初步分析，在E2地震作用下，球鋼支座剪切銷剪斷，成為雙向活動支座，其約束體系同上節(jié)彈塑性動力計算模型。泖港大橋擬在邊墩和主墩處設置疊層橡膠支座，輔助墩處不設置。本文對疊層橡膠支座的剛度進行了參數(shù)分析，以縱、橫橋向支座變形為衡量標準。疊層橡膠支座參數(shù)分析結(jié)果見表1。

表1 疊層橡膠支座參數(shù)分析結(jié)果

從表1可以看出，邊墩與主墩處疊層橡膠支座剛度比從1∶2變化到1∶3時，邊墩與主墩處支座橫向變形逐漸趨于一致，故邊墩與主墩處疊層橡膠支座剛度比在1∶3最為合理。同時，控制邊墩與主墩處疊層橡膠支座剛度比為1∶3不變，邊墩處疊層橡膠支座的剛度從8 000 kN/m變化到32 000 kN/m時，當邊墩處疊層橡膠支座的剛度從16 000 kN/m時，邊墩支座縱向變形為0.208 m，滿足所預計伸縮縫設置要求。因此，邊墩及主墩處對應的疊層橡膠支座參數(shù)見表2，其中疊層橡膠支座面積為該橋墩處總面積，實際可根據(jù)具體空間切分為多個支座。

表2 主橋疊層橡膠支座參數(shù)表

4 地震響應分析

在上節(jié)所選疊層橡膠支座參數(shù)下，本節(jié)討論了橋墩受力、單樁受力、主塔受力、支座剪應變的地震反應驗算結(jié)果。其中：邊墩及主墩配筋形式為兩排（32@150 mm+32@300 mm）；1.8 m 樁基配筋為兩排（42根32+21根28），1.2 m 樁基配筋為單排（28根32）。

橋墩及相應樁基的關(guān)鍵截面抗彎承載力驗算見表3、表4，其中最不利軸力取恒載軸力與地震軸力的差值。由表可知，在E2地震作用下，各橋墩及相應樁基礎關(guān)鍵截面的地震響應小于以材料標準值得出的截面等效屈服彎矩，抗震性能可以滿足要求。

表3 各橋墩關(guān)鍵截面抗震驗算結(jié)果

表4 各樁基礎關(guān)鍵截面抗震驗算結(jié)果

主塔關(guān)鍵截面抗震驗算見表5，其中最不利軸力取恒載軸力與地震軸力之和。由表可知，在E2地震作用下，橋塔塔底的應力需求小于截面材料標準值，抗震性能可以滿足要求。其中，通過ANSYS進行橋塔節(jié)段的彈性穩(wěn)定分析，對橋塔節(jié)段施加200 MPa的環(huán)向壓應力，第一階失穩(wěn)模態(tài)對應的屈曲系數(shù)在9左右，故橋塔應力可達到標準值而不發(fā)生失穩(wěn)。

表5 主塔關(guān)鍵截面抗震驗算結(jié)果

疊層橡膠支座剪應變驗算見表6。由表6可知，在E2地震作用下，疊層橡膠支座最大剪應變?yōu)?4%，滿足要求。

表6 疊層橡膠支座剪應變驗算

5 結(jié)論

本文采用非線性時程分析方法對新建的上海泖港大橋進行了抗震性能研究，主要結(jié)論如下：

（1）所采用的球鋼支座并聯(lián)疊層橡膠支座的復合隔震體系利用了球鋼支座的摩擦耗能性能和疊層橡膠支座的水平剪切性能，具有受力明確、構(gòu)造簡單、經(jīng)濟可行、減震效果好的特點，具有較大推廣應用價值。

（2）通過對疊層橡膠支座的剪切剛度進行參數(shù)分析可知：邊墩與主墩處疊層橡膠支座剛度比在1∶3最為合理，同時邊墩與主墩處疊層橡膠支座的剛度分別為16 000 kN/m與48 000 kN/m時，邊墩支座縱向變形為0.208 m，滿足所預計伸縮縫設置要求。

（3）在E2地震作用下，球鋼支座剪切銷剪斷，成為雙向活動支座。此時，在擬定的配筋形式下，各橋墩及相應樁基礎關(guān)鍵截面的地震響應小于以材料標準值得出的截面等效屈服彎矩，橋塔塔底的應力需求小于截面材料標準值，疊層橡膠支座最大剪應變?yōu)?4%，全橋抗震性能滿足要求。

[1]范立礎，王志強.橋梁減隔震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]毛玉東，李建中.大跨連續(xù)梁橋縱向減震機理和減震效果分析[J].同濟大學學報：自然科學版,2016,44(2)：185-191.

[3]吳陶晶，李建中，管仲國.減隔震裝置作用機理及其在大跨度連續(xù)梁橋中的應用[J].結(jié)構(gòu)工程師,2009,25(4)：102-107.

[4]葉愛君，管仲國.橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]JTG/T D02-01—2008，公路橋梁抗震設計細則[S].