摩擦擺支座在下承式系桿拱橋中的應用

謝振林

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海200437）

1 引言

為保證橋梁工程在地震作用下的安全性，滿足抗震設防標準，需要對橋梁進行抗震設計。可采用的抗震體系有：（1）地震作用下，橋梁的彈塑性變形、耗能部位位于橋墩；（2）地震作用下，橋梁的耗能部位位于橋梁上、下部連接構件（支座、耗能裝置）[1]。

在各種橋梁體系中，系桿拱橋依靠系桿平衡拱腳處的水平推力，對地基的適應性好，跨越能力強。伴隨著系桿拱橋在城市中的大量建設，保證橋梁工程在地震下的安全性，研究地震作用下系桿拱橋抗震性能具有重要的工程應用價值。

本文以一座跨徑110m 的下承載系桿拱橋為例，研究摩擦擺支座在橋梁減隔震設計中的應用。

2 工程概況

浦東運河橋為連接上海浦東機場與迪士尼樂園重要道路-航城路的關鍵節點。橋梁方案為下承式系桿拱橋，大橋造型簡約、美觀。

規劃浦東運河河口寬85m，根據航道部門的要求，水中不設墩柱，主橋一跨跨過浦東運河。

主橋采用跨徑布置110m 的下承式系桿拱橋，主拱矢高24m，矢跨比1/4.6，拱軸線采用二次拋物線。全橋共2 榀拱肋，吊索區布置在機動車道與非機動車道中間。橋面以上設置3 道橫撐連接2 榀拱肋。荷載由橋面板傳到橫梁再到縱梁，由縱梁傳給吊桿再傳到拱肋，由拱肋傳到橋墩、基礎。系桿采用通長系桿，錨固于端橫梁鋼箱內。全橋總體布置如圖1 和圖2 所示。

橋墩采用2.5m×3.0m 混凝土柱式橋墩，墩頂設置L 形蓋梁。P6、P7 墩高分別為3.0m、6.2m 屬于矮墩，不宜使用延性抗震設計，因此，本橋擬采用摩擦擺支座進行減隔震設計。

在正常使用狀況下，墩3#，墩4#上支座縱橋向固定，其余墩支座縱橋向活動；墩1#，墩3#一側的支座橫橋向限位。在地震作用下，支座在固定位移方向提供一定的抗力，當地震作用水平力超過限位裝置抗剪能力時，支座抗剪銷剪壞，此時支座變為雙向活動支座，雙向減隔震。

圖1 主橋立面布置圖

圖2 主橋支座布置圖

3 摩擦擺隔震支座工作原理

摩擦擺支座是一種有效的干摩擦滑移隔震體系，1985 年美國的Dr. Victor Zayas 首先提出摩擦擺式支座的減隔震理念。摩擦擺支座具有優良的隔震消能機制及自復位能力，近年來得到了越來越多的應用[2,3]。

橋梁結構采用摩擦擺支座后結構周期基本上只取決于支座滑動球面半徑R，而與被支撐的上部橋梁結構無關。一般工程應用中只需調整支座滑動球面半徑R與接觸面滑動摩擦系數μ，便能地對橋梁結構的地震響應進行預測和控制[4]。

摩擦擺系統的周期T可表示為：

式中，R為滑動面半徑；g為重力加速度。

摩擦擺減隔震支座的力學特性可以按圖3 所示的荷載-位移滯回曲線模型來模擬。圖3 中，D為支座最大位移；F為支座水平回復力；Kp為初始摩擦剛度，可由下式確定：

式中，μ 為滑動面動摩擦系數；W為上部結構豎向荷載；dy為支座屈服位移。摩擦擺支座的等效剛度：

圖3 摩擦擺支座荷載- 位移滯回曲線

4 抗震性能分析

4.1 有限元模型

利用有限元軟件Midas Civil 建立橋梁動力分析模型。為考慮相鄰聯橋梁動力特性的影響，同時建立左右引橋的邊界聯模型（見圖4）。主梁、蓋梁、主墩及樁基礎均采用空間梁單元模擬。利用m法計算土對樁基的彈性支撐剛度，m值取靜力計算值的2 倍。所選用摩擦擺減隔震支座參數：μ=0.04，R=3.0m，T=3.5s。

圖4 全橋有限元模型

4.2 地震波輸入

擬建場地類別為Ⅳ類，基本地震烈度為7 度，所屬的設計地震分組為第二組，地基土屬軟弱土。本工程的場地加速度反應譜特征周期為0.75s，調整后地震動峰值加速度調整后為0.12g。

抗震設防分類丙類，抗震設計方法為A 類，地震作用調整系數：E1地震調整系數Ci=0.46，E2地震調整系數Ci=2.2。E1與E2地震作用下反應譜各參數取值如表1 所示。

由規范反應譜生成人工時程曲線作為地震波輸入進行非線性時程分析。根據規范反應譜數據生成地震動時程曲線。對應E2反應譜生成7 條地震波，并選取7 條波響應的平均值作為E2地震計算結果。

表1 E1、E2 地震作用各參數取值

注：表中Tg為特征周期，s；η1為反應譜直線下降段下降斜率調整系數；η2為結構阻尼調整系數；γ 為自特征周期到5 倍特征周期區段曲線衰減指數；A為地震動峰值加速度；Smax為設計加速度反應譜最大值，Smax=2.25A。

4.3 動力特性分析

結構動力特性分析中的特征方程求解采用多重Ritz 法，3 個方向地面加速度初始向量分別取50 個。

表2 列出了采用減隔震體系前后主橋主要動力特性，在應用了減隔震體系后，結構的基本周期延長到3s 以上，遠大于場地周期0.75s。采用摩擦擺支座后，結構的第一階自振周期延長了40%。

表2 減隔震前后動力特性

4.4 時程分析結果

應用非線性時程分析方法對結構在地震波作用下的響應進行分析。表3 和表4 為結構采用減隔震體系前后地震響應。表中隔震率=（隔震前-隔震后）/隔震前×100%。

表3 減隔震前后地震響應（縱橋向）

支座體系為常規布置時，縱橋向地震作用主要由墩3 與墩4 承擔，橫橋向橋墩間通過蓋梁聯系在一起，橫向地震作用由4 個橋墩共同承當。采用減隔震體系時，縱向地震作用與橫向地震作用均由4 個橋墩共同承當，減隔震體系更能充分發揮各個橋墩的抗力，體系更為合理。

表4 減隔震前后地震響應（橫橋向）

由表3 和表4 分析結果可知，采用摩擦擺支座后，墩柱內力大幅度減小。橫橋向剪力減震率約為50%，彎矩減震率約為30%。縱橋向減震效果尤為明顯，墩3 墩底剪力與彎矩減震率在70%以上。

采用摩擦擺支座后，在減小墩柱內力的同時，支座位移即梁底與墩頂相對位移大大增加。過大的支座位移會給伸縮縫的設置與養護帶來較多的問題，通過較小的摩擦擺滑動半徑可以得到較大的回復力，從而減小支座位移，但此時會增加墩柱的內力。所以使用何種半徑的摩擦擺要進行綜合分析。

5 結語

通過計算分析，可知下承式系桿拱橋在采用了摩擦擺式減隔震支座后，改變了自身動力特性，顯著延長了結構自振周期，避開場地周期從而提高結構的抗震性能。

通過對比分析，應用摩擦擺支座可以明顯降低橋梁墩柱結構在地震作用下的響應，但支座位移較大。可通過調整摩擦擺減支座的摩擦系數、曲率半徑等參數來改變支座在地震作用下的位移響應。要在墩柱內力與支座位移間綜合考量來最終確定支座的各項參數。