大跨度鋼桁架拱橋減隔震體系分析

□文/茹 毅 楊立坡

橋梁結構在地震過程中若遭到破壞，會造成嚴重的安全事故和經濟損失；因此，橋梁抗震設計現已成為橋梁設計的重要組成部分。

減隔震技術是提高橋梁抗震能力的主要方法之一，在國內外橋梁抗震設計中廣泛應用；通過引入隔震裝置改變結構在地震中的動力響應特性，從而減小地震輸入，同時通過其自身或附加的高阻尼裝置來消耗地震能量，其基本目標是減小傳遞到結構上的地震力和能量，使橋梁下部結構處于彈性反應范圍[1]。

本文以某大跨度鋼桁架拱橋為工程背景，對該橋進行了基于常規約束體系和減隔震約束體系的抗震分析，為此類橋梁的抗震設計提供參考。

1 工程概況

某跨河橋主橋采用中承式桁架拱橋結構，跨徑布置為46 m+160 m+46 m，主橋全長為252 m、寬46 m。拱肋采用兩片鋼箱桁架，橫橋向間距為32.5 m。每片拱肋分上弦和下弦，通過腹桿連接。弦桿橫斷面為1.5 m×1.5 m 的矩形。在拱頂位置，上下弦桿中心距為4.5 m；拱腳位置，上下弦桿中心距約為17.7 m。拱頂至拱腳之間高度為40.5 m，矢跨比0.253，橋面以上拱肋高度為33.5 m。主橋中墩采用1.8 m 樁徑群樁基礎接圓端形片墩，見圖1。主橋連接墩采用1.8 m樁徑單樁接矩形墩。

橋位設防烈度為7度，場地類型為Ⅲ類，場地基本特征周期0.40 s，設計基本地震動加速度峰值為0.15g。

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立有限元模型，主拱、縱梁、橫梁、系桿、平聯及墩柱均采用梁單元模擬，承臺底建立6×6 剛度矩陣以模擬樁土作用。見圖2。

圖1 中墩基礎布置

圖2 有限元模型

采用直接積分法對橋梁空間有限元模型進行時程分析，時程波取自工程場地地震安全性評價報告。本文主要進行E2地震作用分析，地震輸入方式為縱橋向+豎向和橫橋向+豎向兩種。

2 基于常規約束體系的抗震分析

在不考慮減隔震措施的情況下，進行了抗震分析。邊界條件采用常規約束體系：縱橋向一個主墩處采用縱向約束支座，其余墩位處縱向約束放開；橫橋向一側墩位處采用橫向約束支座，另一側墩位處橫向約束放開[2]，見圖3。

圖3 常規約束體系

常規約束體系下，基本周期為1.049 s。桁架拱肋在地震作用下的應力計算結果見表1；墩底及承臺底的地震力計算結果見表2。

表1 E2地震作用下常規約束體系拱肋應力MPa

表2 E2地震作用下常規約束體系墩底及承臺地震力

由表1和表2可知：E2地震作用下拱腳下弦應力最大，受力狀態最為不利，但主拱采用Q345鋼，拱肋在E2地震作用下仍能保持彈性工作狀態；墩底及承臺水平力及彎矩較大，遠超常規體量墩柱及樁基承載能力，E2地震作用下若要求墩柱及樁基保持彈性狀態會使得下部結構尺寸和規模大幅增加。

3 基于減隔震體系的抗震分析

常規約束體系下，縱橫橋向地震力分別集中作用于縱橫橋向兩個固定墩上，無法使四個中墩共同參與受力。減隔震設計時，考慮通過合理的布置減隔震裝置，使地震力在各墩柱上合理分配，同時增加結構周期以減小地震力[3]。

基于鋼桁架橋梁跨徑大、自振周期短的結構特點，采用摩擦擺支座是一種理想的減隔震方法。摩擦擺支座具有施工簡便、造價低、承載力高等特點[4]；在地震作用下，摩擦擺支座上下部分可以在曲面上自由的擺動，自重作用下支座有自恢復的效應。支座通過滑動界面摩擦消耗地震能實現減震目的，通過球面延長梁體運動周期實現隔震功能。摩擦擺的雙線性滯回模型[5]見圖4。

圖4 摩擦擺支座滯回模型

初步抗震設計時，考慮在中支點位置處采用球面曲率半徑為4 m的摩擦擺減隔震支座，見圖5。正常使用情況下支座可按設計位移方向自由滑動。E2地震力作用下支座剪力銷剪斷，摩擦擺支座可在任意方向擺動，達到減震功能。

圖5 減隔震約束體系

采用摩擦擺支座減隔震約束體系后，E2地震作用下拱肋應力見表3，墩底及承臺底的地震力見表4。

表3 E2地震作用下減隔震約束體系拱肋應力

表4 E地震作用下減隔震約束體系墩底及承臺反力

由表3 和表4 可知：采用摩擦擺支座減隔震體系后，縱橫向E2地震作用下，拱腳下弦拱肋應力比常規約束體系減小了50%；縱向地震作用下，橋墩底面地震力減小了88.3%，承臺底面地震力減小了66.9%。橫向地震作用下，橋墩底面地震力減小了76.6%，承臺底面地震力減小了52.7%。減隔震體系下，固定墩位處地震力顯著減小，墩柱及樁基礎能夠保持彈性狀態。可以看出，在拱腳與橋墩之間設置摩擦擺支座能夠有效提高鋼桁架拱橋抗震性能。

4 摩擦擺參數分析

根據結構動力學理論，結構在地震荷載作用下的內力隨著周期的增加而減小，位移響應隨著周期的增加而增大。減隔震設計往往需要在力與變形之中取得平衡，要得到好的減震效果應進行減隔震裝置設計參數的比選分析。

摩擦擺支座隔震周期[6]

式中：T——隔震周期，s；

R——支座滑動面半徑，m；

g——重力加速度，m/s2。

從式（1）可以看出，摩擦擺支座的滑動面半徑對橋梁隔震周期影響較大，進而會影響地震作用下結構位移。為研究摩擦擺滑動面半徑橋梁結構地震響應的影響，分別計算支座曲率半徑為3.0、4.0、5.0 m 時地震力作用下的墩底彎矩和梁端位移，見表5。

表5 不同支座曲率半徑橋梁結構E2地震響應

由表5可知：隨著摩擦擺支座曲率半徑的增大，地震作用下墩底水平力逐漸減小。不同支座曲率半徑對減震率影響較小，主要是因為常規約束體系E2地震力較大，即減震率基數較大。

進一步分析可以發現，該橋梁在常規約束體系下自振周期較小，基本周期僅為1.049 s。然而各摩擦擺支座半徑對應隔震周期均已數倍于此數值，在此隔震周期變化范圍內，地震力的大小對隔震周期已不敏感；隨著摩擦擺支座曲率半徑的增大，梁端位移逐漸增大。支座曲率半徑取5 m時，其縱、橫向地震作用下梁端位移比支座曲率半徑取3 m 時分別超出64、49 mm。由于正常使用情況下橋梁結構縱橫向變形較小，伸縮縫及擋塊等構件對位移量比較敏感，因此支座曲率半徑增大引起的地震梁端位移的增加應得到重視。

針對該橋梁，考慮到支座曲率半徑增大時地震力減小有限，為盡量減小地震力作用下的梁端位移，宜使用較小的摩擦擺曲率半徑。

5 結論

1）在地震力作用下，拱肋拱腳下弦及下部結構受力較為不利。與常規約束體系相比，采用摩擦擺減隔震體系，能大幅減小拱肋應力及下部結構地震力。在拱腳與橋墩之間設置摩擦擺支座能夠有效提高鋼桁架拱橋結構抗震性能。針對文中橋梁結構，抗震設計關鍵點在下部結構。

2）隨著摩擦擺支座曲率半徑的增大，有墩底水平力減小、梁端位移增大的趨勢。采用摩擦擺支座減隔震體系時，為得到好的減震效果應對摩擦擺支座半徑進行比選分析，綜合考慮地震力和地震位移，以選用適當的曲率半徑。針對文中橋梁結構，由于其常規約束體系下自振周期較小，采用小半徑摩擦擺支座更加合理。