某高烈度區高墩大跨剛構橋梁減隔震計算研究

摘要 某大跨剛構橋位于高地震烈度地區，為有效控制地震水平力，限制地震作用下的墩梁相對位移，在邊墩引用了拉索減震支座。通過建立有限元計算模型研究發現：采用拉索減震支座后，邊墩的順橋方向及橫橋方向的墩底彎矩和承臺底彎矩明顯減小；墩梁之間的縱橋向相對位移明顯減小，橫橋向相對位移有所釋放，豎向限位作用發揮明顯。

關鍵詞 連續剛構；減震支座；地震力；墩梁位移

中圖分類號 U442.55 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0072-03

0 引言

連續梁橋是目前國內外應用最廣泛的橋梁結構形式之一[1]。高墩大跨徑連續剛構橋結合了連續梁和T型剛構的優點，該結構無伸縮縫和支座結構，拋物線形外觀優美，行車舒適度高，并且在施工時不存在體系轉換。高地震烈度地區對橋梁的抗震措施要求高，需要開展減隔震措施的研究，不能僅使用常規的抗震設計。拉索減震支座將耗能性能良好的盆式橡膠支座（或球鋼支座）與限位能力出色的限位索裝置相結合，在小到中等地震作用下，該支座能作為常規固定支座發揮作用，在罕遇地震下支座中的抗剪螺栓會剪斷，該支座轉化為活動支座發揮作用，這樣可以降低固定墩的地震響應，同時拉索能夠限制過大的墩梁相對位移，防止落梁等災害的發生，簡便地實現了位移調節。

1 工程概況

某公路橋所處地區地震烈度較高，地形陡峭，地質條件復雜，為滿足跨越要求，橋梁結構采用大跨度連續剛構。橋址區為Ⅷ度地震烈度，0.2 g的水平向地震加速度，特征周期0.45 s。公路設計等級四級，設計速度為20 km/h，橋梁最大縱坡為0.6%。

大橋的梁部為預應力混凝土箱梁，單箱單室結構，跨度組合為（110+200+110）m，全長420 m，邊跨和中跨的比值為0.55，箱梁的頂寬9.0 m。主墩處梁高13 m，H支/L=0.065，跨中及邊跨直線段梁高均為3.6 m，H中/L=0.018，頂板厚度為28 cm，中跨的底板厚度及腹板厚度均是變化的，其中底板從35 cm變化到126.5 cm，腹板從50 cm變化到70 cm，主梁的梁底按1.75次拋物線變化，中跨合龍段和邊跨的膺架施工段為直線，主跨底板厚度變化區間為35～126.5 cm，主跨腹板厚度變化區間為50～70 cm，變截面段梁底曲線為1.75次拋物線，合攏段及邊跨膺架施工段均為直線段。大橋的主梁施工為懸澆，預應力為三向體系。

考慮橋梁結構受力和施工因素，主墩采用單箱單室薄壁結構[2]，墩頂橫橋向尺寸6 m，縱橋向尺寸10 m，主墩壁厚的變化從1.5 m依次變化到0.7 m、0.8 m和2.5 m，墩高為133 m。兩邊墩均為矩形空心結構，墩身截面尺寸為4.0 m×5.0 m，墩高分別為50 m和33 m。

2 模型建立

三維空間有限元模型的建立采用Midas/Civil，一期恒載包括主梁、橫梁、橫隔板、連續板、墩身隔板等結構材料重，二期恒載包括橋面鋪裝、調平層、人行道、欄桿和管線等，二恒轉化為線性荷載加在主梁單元上，橫梁及橫隔板重、連續板恒載、墩身隔板重等均以節點荷載的形式加在相應位置節點，并轉化為質量。樁土作用采用節點彈性支承模擬[3]，采用線性彈簧形式施加在樁節點上。

全橋有限元計算模型見圖1。

抗震支座采用的是拉索球型活動支座。該種支座可視為由支座及拉索兩部分組合而成。支座部分為普通盆式支座或球鋼支座，拉索為彈性拉索。其中，支座部分的恢復力性能滿足理想彈塑性材料的特性。彈性拉索的恢復力性能為線性。拉索減震支座兼具二者的特性，其恢復力性能為二者疊加而成。

單向活動支座型號為LSQZ6000DX，雙向活動支座型號為LSQZ6000SX。拉索減震支座的建模通過兩個獨立單位完成。在Midas Civil模型中，拉索采用鉤單元模擬，支座采用理想彈塑性單元模擬，兩部分并聯。活動支座的豎向承載力取6 000 kN，滑動摩擦系數取0.03，活動支座屈服位移取0.003 m，拉索在0.2 m范圍內屬自由狀態，其在水平方向伸長時線剛度為100 000 kN/m。自振周期及相應振型見表1。

3 時程反應分析

由根據橋址場地條件，并考慮地震波的空間效應[4-5]，該文選取EI-Centro、Taft和Sanfer，三組實際強震記錄。這三種地震波均采用三向地震波輸入，在水平地震動加速度時程基礎上按0.65倍的折減考慮豎向地震動峰值。列出其中三條加速度波形如圖2、圖3、圖4所示。

采用拉索減震支座后，橋梁的非線性時程分析結果見表2～表5。

由計算結果可見，在地震波2作用下，兩邊墩墩底均出現較大彎矩，1#號墩彎矩稍大于4#墩，但在地震波3作用下，1#號墩墩底彎矩比4#墩小；1#墩和梁順橋方向的相對位移在地震波1作用下最大，為6.23 mm；1#墩橫橋向、4#墩縱橫橋向墩梁相對位移均在地震波2作用下最大，為6.23 mm，其中4#墩最大縱橋向相對位移有33.6 mm，橫橋向相對位移有59.5 mm。

該文采用隔震率來表示拉索減震支座的隔震效果，隔震率定義如下：

隔震率=（普通支座?拉索減震支座）/普通支座×100%

1#墩的拉索減震支座隔震效果列于表6和表7，4#墩的拉索減震支座隔震效果列于表8和表9。

由計算結果可見，對1#墩，采用拉索減震支座后，縱橫向彎矩均有所減小，其中在地震波2作用下的隔震效果最明顯，能達到29.48%，針對地震波1作用下的順橋向隔震效果及地震波3作用下的橫橋向隔震效果較弱，分別只有1.98%和5.51%；對于4#墩，當按地震波1和地震波3作用計算時，順橋方向的墩底彎矩降低最為明顯，最大能達到57.76%，這說明隔震有明顯效果，在地震波2作用下橫橋向隔震效果能達到28.98%，但順橋向墩底彎矩明顯增大，分析原因是拉索的限位作用導致的。

5 結論

采用Midas Civil軟件對橋梁進行有限元計算分析，通過對比普通支座和拉索減震支座下橋墩和主梁的位移和彎矩，可以看出：

（1）在地震波1和地震波3作用下，拉索減震支座能有效減小1#墩順橋向和橫橋向的墩底彎矩及承臺底彎矩，隔震率在20%左右，拉索減震支座對4#墩減震效果更明顯，順橋向最大減震效果能達到57.76%。

（2）在地震波2作用下，采用拉索減震支座后，1#墩的順橋方向和4#墩的橫橋方向墩底彎矩及承臺底彎矩均減小30%左右，4#墩順橋方向墩底彎矩及承臺底彎矩降低20%左右。但是在地震波2作用下，安裝拉索減震支座后，4#墩墩底和承臺底順橋向彎矩明顯增大，原因是安裝拉索減震支座后，由于拉索的限位作用，墩梁之間的縱向連接增強。

（3）安裝拉索減震支座，墩梁之間的縱橋向相對位移明顯減小，橫橋向的相對位移有所釋放，并且豎向限位作用發揮明顯，拉索減震支座作用明顯。

參考文獻

[1]葛圣林. 不同高墩結構形式連續梁橋的抗震性能研究[D]. 南昌：華東交通大學， 2020.

[2]張墨. 長周期地震動作用下高墩連續梁橋地震反應[D]. 西安：西安工業大學， 2022.

[3]馬振霄. 基于數值模型的高墩連續梁橋減隔震措施研究[D]. 廣州：廣州大學， 2019.

[4]趙帆. 高烈度山區梁橋延性抗震設計技術研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2022.

[5]張玥， 薛磊， 蘭方言. 高烈度區連續梁橋的地震響應特性研究[J]. 工程抗震與加固改造， 2020（3）： 91-96.