减隔震支座在大跨度预应力混凝土连续梁桥中的应用

谭珂

（上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司，广东 佛山 528200）

减隔震支座在大跨度预应力混凝土连续梁桥中的应用

谭珂

（上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司，广东 佛山 528200）

以王借岗大桥抗震设计为背景，对减隔震支座技术对大跨度预应力混凝土连续梁桥中的应用进行了研究。抗震计算采用MIDAS/Civil 2013空间有限元软件，对主桥的地震力进行了空间分析。分析结果显示，减隔震支座的应用可以显著减小地震力。

减隔震支座；预应力混凝土连续梁；抗震

1 工程概况与计算说明

1.1 项目概况

王借岗大桥跨越汾江河，全桥长930.4 m。跨径组合为（3×25）m简支小箱梁+（4×25）m简支小箱梁+（3×25+32.7）m简支小箱梁+（70+110+ 70）m预应力混凝土连续箱梁桥+（22.7+3×25）m简支小箱梁+（4×25）m简支小箱梁+（4×25）m简支小箱梁+（4×25）m简支小箱梁。王借岗大桥主桥总体布置如图1所示。

1.2 计算说明

本计算所涉及的范围为主桥（70+110+70）m连续箱梁桥。计算的主要内容有：（1）建立主桥的合理空间动力计算模式，分析结构动力特性；（2）采用线性反应谱法进行地震反应分析，研究结构在两种概率水平（超越概率为50年10%和50年2.5%）的地震输入下的地震响应；（3）对主桥在两种概率水平下的抗震性能进行验算。

2 主桥（70+110+70）m连续箱梁桥总体布置

2.1 总体设计

桥跨布置为（70+110+70）m连续箱梁桥，桥宽19.5 m。下部采用大直径钻孔灌注桩。

结构体系：主墩、边墩均设减隔震支座。

2.2 桥墩设计

边墩结构采用圆形截面桥墩，两墩之间用高低盖梁连接，盖梁采用预应力混凝土A类结构，盖梁加高块在主桥钢束张拉完成后进行后浇。两立柱中心间距为6 m。每个立柱下布置直径2.2 m的钻孔灌注桩1根。

主墩采用圆端形截面，桥墩横向尺寸10.24 m，顺桥向尺寸3 m。主墩承台尺寸为水中墩承台17.8×9.1 m，陆地墩承台14.6×9.1 m，每个立柱下布置6根直径2.2 m的钻孔灌注桩。

2.3 主梁设计

主梁采用变高度预应力砼连续箱梁，支点梁高6.5 m，跨中梁高2.5 m，梁高按1.8次抛物线变化。

3 地震作用

采用反应谱法对该桥进行地震响应分析。地震加速度谱取值如下：

王借岗大桥主桥设防类别B类，其结构重要性修正系数：E2地震Ci=1.7m，E1地震Ci=0.5；水平地震动峰值加速度0.1g，竖向地震动峰值加速度0.065g。场地类别为Ⅱ类场地，场地系数Cs= 1.0。特征周期Tg=0.4 s。阻尼比取为0.05，阻尼调整系数Cd=1。

4 计算模型

本次计算采用Midas/Civil 2013版本软件，采用空间杆系模型，主梁、主桩基采用梁单元，桥墩桩基与土的边界采用土弹簧模拟，以考虑桩土效应。全桥共有907个单元。计算模型如图2所示。

图1 总体布置图（单位：m）

图2 空间杆系模型

5 计算参数输入

5.1 质量和转动惯量输入通过X、Y、Z方向荷载转换施加节点三方向质量。一期恒载：混凝土主梁采用梁单元自重系数（1.04）施加，横梁采用集中力施加；

二期恒载：采用外部均布荷载施加。

5.2 边界条件输入

地基基础：采用土弹簧模拟桩基边界条件；支座模拟：采用减隔震支座等效刚度模拟。

6 主桥抗震计算

6.1 抗震设防标准

大桥按“两阶段设计、两水准设防”的抗震思想进行抗震设计。

王借岗大桥采用50年10%（地震水平I，简称E1地震作用）和50年2.5%（地震水平II，简称E2地震作用）两种超越概率地震动进行抗震设防。

6.2 结构性能目标

针对结构各部分的重要性，主桥相应的性能目标为：

桥墩等桥梁结构中比较容易修复的构件在E1作用下虽然可发生可修复的损伤，但要求地震发生后，基本不影响车辆的通行。在E2作用下，结构不倒塌，震后可以修复，可供紧急救援车辆通过。

基础等结构重要受力构件在E1作用下基本不发生损伤，结构保持在弹性范围工作；在E2作用下虽然局部可发生可修复的损伤，但要求地震发生后，基本不影响车辆的通行。具体性能目标可参见表1。

6.3 地震动输入

场地地震动参数，主要包括：地震系数K与规准加速度反应谱β（T），它们与设计地震影响系数α(T)的关系为：

根据设计规准加速度反应谱，经平滑后所得结果用式（1）表示：

表1 主桥设防标准与相应的性能目标

在进行地震反应分析时，采用50年10%和50年2.5%的超越概率，阻尼比为0.05的场地反应谱输入，如图3及图4所示。

图4 E2地震作用反应谱图

地震输入采用两种方式：（1）纵向＋竖向；（2）横向＋竖向，并取前300阶，按CQC法进行组合。

6.4 减隔震支座选择

为改善主桥下部结构受力，拟采用双曲面摩擦摆减隔震支座，每个边墩及中墩设置减隔震支座，同时设置抗剪销。正常使用状态下以及E1地震作用（50年超越概率10%）下抗剪销承受水平地震力；当发生E2地震作用（50年超越概率2.5%）时，支座抗剪销剪断，横向双曲面摩擦摆发生相对变位，支座以一定的隔震周期进行摆动，通过球形支座与摩擦减隔震装置之间的摩擦阻尼消能。地震作用后自重在梁体重力作用下，克服双球面间摩擦自动复位。

根据E2地震作用下的支座处梁体水平位移限制确定减隔震支座地震动参数，主桥主梁在边墩横向位移限制为100 mm，最终选取的摩擦摆减隔震支座参数如图5。

图5 支座平面布置图

支座参数如表2。

表2 支座参数

6.5 线性反应谱分析结果

在对线性模型进行地震反应分析时，采用50年10%和50年2.5%两种超越概率的反应谱，地震输入方式：（1）纵向＋竖向；（2）横向＋竖向。采用弹性反应谱分析方法，计算中取前300阶，按CQC方法进行组合。

选取边墩、中墩墩底及桩顶地震动响应结果如表3和表4所示。

表3 Pm12墩（中墩）-恒载+地震组合

表4 Pm11墩（边墩）-恒载+地震组合

6.6 结构抗震性能验算

6.6.1 地震作用截面抗震性能验算

根据总体抗震设防目标，E1水准地震作用下，主桥各截面处于弹性阶段，基本不损伤，截面承载力需满足现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的要求。E2水准地震作用下，主桥各截面仍按满足弹性阶段承载力要求设计。如表5所示。

表5 主墩与边墩静力计算内力结果

6.6.2 E2地震作用下主桥最大位移计算结果

从图6、图7分析结果可知，桥墩和桩基在E2水准地震作用下，截面承载力和变形均满足规范要求。

图6 E2地震作用下顺桥向最大位移（最大100 mm）

图7 E2地震作用下横桥向最大位移（最大9.3 mm）

7 结语

通过计算分析表明，减隔震支座的应用可以显著减小下部结构的地震力，使下部结构的控制荷载由地震荷载转变为静力荷载。减隔震支座的应用可以降低下部结构的工程量，取得良好的社会经济效益。减隔震技术为桥梁抗震设计开拓了新的方向。

U443.36

B

1009-7716（2017）08-0285-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.090

2017-04-24

谭珂（1985-），男，湖南株洲人，路桥工程师，硕士研究生，从事桥梁设计工作。