基于基础隔震理念的转体斜拉桥抗震性能研究_王克勤.pdf

第 卷第期 年月地震工程学报 ，收稿日期：基金项目：新型支座桥梁抗震性能研究（）第一作者简介：王克勤（），男，硕士研究生，主要研究方向为桥梁抗震。：。通信作者：季日臣（），男，博士，教授，主要研究方向为桥梁抗震。：。王克勤，季日臣，夏修身基于基础隔震理念的转体斜拉桥抗震性能研究地震工程学报，（）：，（）：基于基础隔震理念的转体斜拉桥抗震性能研究王克勤，季日臣，夏修身（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 ）摘要：为研究基础隔震体系对转体斜拉桥抗震性能的影响，以新建福厦客运专线太城溪特大桥为工程背景，建立全桥动力模型，进行非线性时程分析。选取组地震波与组曲面摩擦摆支座基础隔震方案，对比分析基础隔震转体斜拉桥的抗震性能。结果表明：采用基础隔震体系后，转体斜拉桥的自振周期增大，整体刚度与地震响应显著降低；曲面摩擦摆支座对结构变形的影响较小，但会使内力大幅降低，可作为该转体斜拉桥基础隔震体系的隔震支座；采用基础隔震体系后，主墩墩底弯矩减小 ，剪力减小 ，塔梁固结处产生最大位移 。关键词：基础隔震；转体斜拉桥；非线性时程分析；曲面摩擦摆支座中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，（，）：，；，：；引言转体施工技术在斜拉桥的建设中较为常见，该工艺在保证施工质量与安全的同时较大程度地减小了对现有交通线运营安全的影响。然而，转体施工完成后通常要进行封铰，使得结构体系的刚度增加，不 仅 不够 经济，也加 剧 了桥 梁 结 构的地 震响应。转体斜拉桥大多采用塔梁墩固结体系，该体系虽然增加了结构的整体刚度，但也使其抗震能力大幅度降低，在地震时具体表现为“强度不足，延性有限”。传统桥梁抗震设计往往通过改变材料或设置塑性铰以抵抗地震破坏，但对于塔梁墩固结的独塔斜拉桥，其主要承重结构不允许出现塑性铰；减隔震装置又大多用来解决过渡墩的横向抗震问题，对于提高结构整体抗震性能的效果并不显著。目前，希腊的里翁安提里翁（）多塔斜拉桥、日本的弁天（）高架桥等桥梁均采用了一种基础隔震设计理念，即通过在基础与主墩之间或基础与桩之间设置隔震层的方式提高结构的抗震性能。在 对 台 湾 集 鹿 大 桥 进 行 抗 震 分 析 时，提出了一种新型的基础隔震技术，即在索塔塔座与桩基础之间设置隔震层，目的是降低桥梁的整体刚度，提高抗震性能。这些设计理念为塔梁墩固结桥梁的抗震提供了新的思路和尝试研究的方向，而不仅是局限于过渡墩的横向抗震问题。在转体斜拉桥的抗震设计中，选择适用基础隔震的转体装置尤为重要，既要满足施工要求，又要能作为隔震支座继续使用。曲面摩擦摆隔震支座可利用支座的水平恢复力降低结构地震响应，且具有可转动的特性。年，陆宏伟等 发明了一种可以在结构转体完成后继续在成桥阶段使用的抗震球形支座；年，赵兰兰等利用曲面摩擦支座可转动的特性设计了一种摩擦摆转动装置，通过布设辅助支座将转体施工与基础隔震体系联系起来；燕斌等 也系统地介绍了基础隔震的设计机理。以上研究与应用经验说明，曲面摩擦摆支座可以作为基础隔震支座发挥作用，但对于采用基础隔震的转体独塔斜拉桥，其支座系统在地震响应中的隔震理论目前还不完善，应用尚处于初级阶段，能够提供的参考数据较为匮乏。本文在以往研究的基础上，以新建福厦客运专线太城溪特大桥为工程背景，通过有限元模拟分析基础隔震转体斜拉桥的地震响应，并对支座系统进行参数分析，以期为此类桥梁在隔震方面的研究提供参考。工程背景及有限元模拟工程概况新建福厦铁路太城溪特大桥结构采用（）独塔斜拉桥，主桥长 ；结构梁高在边墩处为，中墩处为，边墩支座中心线至梁端。主梁采用单箱双室截面，两边腹板为直腹板，主梁顶板宽度为。索塔为钢筋混凝土结构，设置于桥面两侧，塔柱高，为适应分丝管索鞍，塔柱采用矩形实体截面。全桥共设 对斜拉索，斜拉索采用箱外锚固形式，梁上间距为、，塔端间距为。箱梁、主梁、过渡墩、引桥均采用 混凝土，两侧引桥与主桥之间伸缩缝均为 。转体系统由转体结构、牵引系统、助推系统和轴线微调系统组成，转体重量为万吨。结构整体布置如图所示。图主桥整体布置（单位：）（：）有限元分析模型采用 建立全桥动力分析模型，模型共划分 个节点，个单元。主桥、引桥、索塔、桥墩均采用梁单元，伸缩缝采用间隙连接，如图 所示。斜拉索采用只受拉的桁架单元，根据 垂度效应公式 计算出斜拉索的等效弹性模量（）：（）（）式中：为钢绞线弹性模量（）；为索的水平投影长度（）；为索的容重（）；为索拉应力（）。第 卷 第期王克勤，等：基于基础隔震理念的转体斜拉桥抗震性能研究图有限元分析模型 地震波选取选取组地震波进行结构非线性时程分析，并对输出结果进行对比，其中包括组天然波：年 波、年 波、年 波、年 波和 波；组人工波：、。选取的组地震波与桥址场地的特征周期（）接近，峰值加速度通过调整系数均换算为，调整系数分别为 、。地震波按照顺桥向竖向的方式输入，其中竖向加速度取为顺桥向加速度的。图（）（）为其中组地震波的地震动加速度时程曲线。摩擦摆支座的隔震机理 恢复力模型摩擦摆支座（，）的隔震原理是利用滑块上下的圆弧面设计，通过接触面的摩擦和支座自身的恢复力来延长结构的振动周期，消耗地震产生的能量。同时，可以通过改变支座的基本参数（曲率半径、滑动摩擦系数）控制其隔震性能，如隔震周期、水平刚度、阻尼比等。合理的参数选取能够充分发挥减隔震支座的隔震效果，最大程度地降低地震对桥梁结构造成的破坏。近似钟摆原理的简化计算模型如图所示。图中：为恒载作用下支座竖向反力（）；为支座 滑 动 摩 擦 力（）；为 支 座 的 设 计 位 移（）；为支座滑动曲面的曲率半径（）；为支座滑动摩擦系数；为水平恢复力（）；为滑动球面支承力（）；为滑块竖向夹角（）。根据摩擦摆支座简化的计算模型可对点取矩得：（）由于取值一般较小，近似可得：（）其中，所以简化计算模型水平恢复力为：（）结合摩擦摆支座理论滞回曲线模型（图），可以得到支座的等效刚度 ：图地震波加速度时程曲线 图 简化计算模型 地震工程学报 年 （）支座的弹性刚度：（）支座的屈服后刚度：（）（）式中：为支座设计位移对应的强度（）；为支座弹性阶段强度（）；为支座的初始屈服位移（）。图 理论滞回曲线模型 有限元模拟中将摩擦摆支座定义为一般连接中的非弹性铰，通过双折线模型的本构关系计算输入水平向非线性参数（强度屈服位移），计算得到 实际恢复力滞回曲线如图所示。图 支座实际恢复力滞回曲线 转动装置结构转动装置为曲面摩擦摆支座，支座性能通过主墩处竖向荷载、支座动摩擦系数、曲率半径三个参数共同控制。为保证结构在转体过程中的稳定性，在中心摩擦摆支座周围环状布置个尺寸较小的摩擦摆支座以分担其承重，提高结构在运营阶段的整体刚度。支座系统剖面示意图、环状摩擦摆支座平面示意图分别如图（）、（）所示。图支座系统剖面及环状摩擦摆支座平面示意图 抗震性能分析动力特性及隔震方案如表、表所列，本次建模采用多重 向量法，对比分析结构在考虑基础隔震前后自振特性的变化。通过表中显示的前阶模态值，可以得到：相较于初始模型，基础隔震结构的自振周期增大，自振频率与结构整体刚度大幅降低，地震响应减弱，结构在地震中趋于安全。表初始模型自振频率与振型 模态自振频率 振型 主塔一阶侧弯 主梁一阶竖弯 主梁一阶侧弯主塔侧弯 纵飘 主梁二阶竖弯 主梁三阶竖弯本研究采用组支座方案来进行基础隔震转体斜拉桥的抗震性能研究，组方案按照支座强度递减规律变化，其基本参数如表所列。非线性时程分析结果在不同地震波激励下，结构主墩墩底弯矩与剪第 卷 第期王克勤，等：基于基础隔震理念的转体斜拉桥抗震性能研究力、塔梁固结处位移、隔震层位移、长跨侧边墩墩底弯矩与剪力，以及长跨侧梁端位移在不同支座方案下的地震响应变化曲线如图 所示。图中为选取的组地震波，为结构无基础隔震方案。表基础隔震结构自振频率与振型 模态自振频率 振型 纵飘 主塔一阶侧弯 主梁一阶竖弯 主塔二阶侧弯主梁侧弯 主梁二阶竖弯 主塔三阶侧弯主梁侧弯表不同支座方案参数 支座方案屈服前强度中心 环状 水平有效强度中心 环状 图主墩墩底弯矩 图主墩墩底剪力 图 塔梁固结处位移 图 隔震层位移 图 长跨侧边墩墩底弯矩 由图 可知：结构在采用基础隔震体系后主墩 墩 底 弯 矩、剪 力 大 幅 减 小，其 中 弯 矩 减 小 ，剪力减小 ；塔梁固结处位移增大 ，最大位移 ；隔震层处位移增加 ，最大位移 。这说明基础隔震会引起主墩内力显著降低，随着支座刚度的减小内力在递减；随着结构整体刚度的减小塔梁固结处位移相应增加，但最大位移仍在允许范围之内。地震工程学报 年图 长跨侧边墩墩底剪力 图 长跨侧梁端位移 由图 可知，过渡墩地震响应表现为内力减小、梁端位移增加。由于大跨侧与小跨侧内力位移变化规律相同，本节以长跨侧过渡墩为例说明：过渡墩墩底弯矩减小 ，剪力减小 ；梁端位移增加 ，最大位移 。这说明基础隔震体系会降低过渡墩位置处的地震响应，但不会造成梁端位移过大；随着支座刚度的减小，主墩分担的地震荷载相应减少，过渡墩承担的地震荷载逐渐增加。基础隔震结构伸缩缝处最大位移为 ，其位移时间变化曲线如图 所示；主引桥梁端最大位移为 ，组地震波作用下主引桥梁端最大位移与时间的关系曲线如图 所示。以上结论表明，采用曲面摩擦摆支座能够大幅降低结构的地震响应，避免结构发生过大变形，基础隔震体系有利于提高结构的抗震性能。摩擦摆支座参数分析为研究支座参数对桥梁隔震的影响，选取动摩擦系数分别为、，曲率半径分别为、的支座系统作为分析对象，计算结果如图、所示。图 伸缩缝变形时间关系曲线 图 主引桥梁端位移时间关系曲线 图 主墩墩底弯矩 图 塔梁固结处位移 第 卷 第期王克勤，等：基于基础隔震理念的转体斜拉桥抗震性能研究由图、可知：主墩墩底弯矩随着动摩擦系数的增大而增大，随曲率半径的增大而减小；塔梁固结处位移随着动摩擦系数的增大而减小，随曲率半径的增大而增大。当 时，和对支座的隔震性能均有较强影响；当 时，内力与位移主要随变化，的影响减弱。基础隔震体系力学性能与稳定性采用基础隔震的转体斜拉桥的整体刚度和阻尼都将发生变化，结构在运营阶段的力学性能和稳定性会受到影响。为满足规范要求，在有限元隔震支座的模拟中纵桥向设置剪力键，增大结构抵抗破坏的能力。剪力键剪断力按照规范要求取值，中心摩擦摆与环状摩擦摆设置 的 剪 断 力 分 别 为 、。剪力键断裂前后结构的地震响应列于表，可见剪力键断裂前的主墩弯矩远小于地震响应峰值，这说明剪力键断裂前结构处于相对安全状态，未发生强度破坏。表剪力键断裂前后结构地震响应分析 支座方案主墩弯矩（）剪力键断裂前地震响应峰值效应对比 另外，基础隔震结构在运营阶段由结构自重引起的主梁竖向挠度增加，列车荷载引起的梁端纵向位移增加，横向风荷载引起的支座压力增加。各隔震支座均未出现“负反力”和“压力”状况，即未出现支座脱空现象。非基础隔震体系和基础隔震体系 的 一阶 弹性 屈 曲 系 数 分 别 为 、，稳定系数减小。以上说明基础隔震对结构运营安全性的影响较小。结论本文以新建福厦铁路太城溪特大桥为工程背景，分析了基础隔震转体斜拉桥的抗震性能，得到如下结论：（）基础隔震体系可降低结构整体刚度，使桥梁延性增加，从而提高桥梁的抗震性能。（）采用曲面摩擦摆支座作为隔震支座，既能避免结构发生过大位移，又能有效降低地震响应。（）摩擦摆支座的隔震性能主要由滑动摩擦系数和曲率半径共同控制，其隔震效果会随着动摩擦系数的增大而减弱，随着曲率半径的增加而增强。参考文献（）刘建红 绥芬河斜拉桥设计与转体施工 铁道标准设计，（）：，（）：赵兰兰桥梁转体施工与基础隔震集成装置在斜拉桥应用中的研究北京：北京工业大学，：，燕斌 基础隔震独塔斜拉桥抗震性能研究 桥梁建设，（）：，（）：燕斌，龚纬 斜拉桥过渡墩处合理横桥向约束体系研究 铁道工程学报，（）：，（）：，（）：，（）：，：，吴陶晶，李建中，管仲国减隔震装置作用机理及其在大跨度连续梁桥中的应用结构工程师，（）：，（）：庄军生 桥梁减震、隔震支座和装置 北京：中国铁道出版社，：，郭佳，辛克贵，何铭华，等自复位桥梁墩柱