理論與實踐：拉索減震支座在近斷層城市高架橋梁中的應(yīng)用
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作者：張毅
城市高架橋為生命線工程的重要組成部分，一旦在地震中遭到破壞，其后果是災難性的。同濟大學袁萬城教授提出的一種具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型減震支座——拉索減震支座，是在普通盆式支座／球型支座的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國內(nèi)外普遍采用的一種限位拉索組合而成。正常使用荷載作用下，拉索減震支座與普通支座相同，能夠滿足上部結(jié)構(gòu)荷載及位移的要求；在橋梁結(jié)構(gòu)遭遇設(shè)計地震時，支座抗剪銷剪斷，整個體系轉(zhuǎn)變?yōu)闇p隔震體系，使墩梁之間的位移在可控范圍內(nèi)；實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的力與位移的合理平衡，具有顯著的防落梁效果。
在同等抗震要求下，與其他減隔震支座相比降低造價10%以上。本文以某城市高架連續(xù)梁橋作為背景，輸人多條不同類型的地震動記錄，與常規(guī)非減震橋梁做對比，系統(tǒng)地考察近斷層脈沖地震動、近斷層非脈沖地震動及遠場地震動對采用拉索減震支座連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，為近斷層區(qū)域城市高架橋梁結(jié)構(gòu)采用拉索減震支座設(shè)計方案提供參考。
1工程概況
1.1橋梁有限元模型
本文以某城市高架橋中一座連續(xù)梁橋為背景建立SAP2000有限元分析模型，全橋跨徑布置為4x 30 m，墩高約8m。上部主梁為等截面單箱多室混凝土箱梁，橋面寬32 m。下部為花瓶式橋墩，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)形式，承臺下設(shè)5根直徑為1.2 m鉆孔灌注嵌巖樁，承臺厚度為3 m。在各墩頂（從左至右）布置的支座豎向承載力依次為8 MN、15 MN、1 5 MN、15 MN、8 MN。
SAP2000動力分析模型采用三維空間有限元分析模型。其中，主梁和橋墩用梁單元模擬（假定橋墩不發(fā)生塑性變形），樁基礎(chǔ)采用等效的土彈簧單元模擬樁一土的相互作用，盆式橡膠支座采用Plastic-Wen連接單元模擬，拉索減震支座根據(jù)其設(shè)計原理采用PlastiC-Wen連接單元與Multi-linear連接單元組合模擬，有限元分析模型見圖1。
1.2地震動輸入
將近斷層區(qū)域內(nèi)的地震動表征為近斷層地震動，與之區(qū)分的是遠場地震動，而對于在近斷層區(qū)域內(nèi)不同震源機制如方向性效應(yīng)或滑沖效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖對結(jié)構(gòu)存在重要影響，因此近斷層地震動又區(qū)分為有、無脈沖地震動。本文采用文獻[3]給出的80條具有近斷層脈沖效應(yīng)的地震動記錄。地震動記錄選擇的范圍覆蓋加速度峰值、脈沖持時、頻率內(nèi)容和斷層距。為進一步比較近斷層地震動有、無脈沖對結(jié)構(gòu)的影響，以及近斷層與遠場地震動對結(jié)構(gòu)的影響差異，同時選取20條近斷層非脈沖型地震動及20條遠場地震動。
1.3分析工況
本文主要分析近斷層地震的方向性效應(yīng)脈沖、滑沖效應(yīng)脈沖對普通非減震連續(xù)梁橋及采用拉索減震支座減震的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，作為對比，同時分析近斷層非脈沖地震動及遠場地震動對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。對于普通非減震連續(xù)梁橋，按照常規(guī)做法布置盆式橡膠支座，P2墩放置盆式固定支座，其余墩上放置盆式滑動支座，在強震作用下P2墩固定約束不釋放。拉索支座減震橋梁支座具體布置形式見圖2，P2墩放置固定型拉索減震支座，其余墩上放置滑動型拉索減震支座，在強震作用下P2墩固定支座的抗剪銷剪斷。在下文的非線性時程分析中，除特別注明外，支座摩擦因數(shù)均取0.02；15 MN支座拉索剛度取5.82×l05 kN/m，過渡墩8 MN支座拉索剛度取3.10×l05 kN/m；拉索自由程均取0.20 m。
2結(jié)果分析
對不同地震動作用下橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析，進行非減震橋梁結(jié)構(gòu)及拉索支座減震橋梁結(jié)構(gòu)在順橋向的非線性時程分析，阻尼比5%．地震波輸入方式為水平向。在連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計中，最關(guān)心地震響應(yīng)是橋梁墩底剪力、墩底彎矩、主梁加速度、主梁位移和支座位移等，為方便比較減震與非減震的情況，取非減震橋梁中放置固定支座的P2墩底截面處的剪力峰值、彎矩峰值，主梁加速度峰值及主梁位移峰值取自主梁跨中位置，支座位移峰值取自P2墩位處支座。
2.1近斷層有、無脈沖地震作用
對近斷層有、無脈沖地震動作用下橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析，無脈沖地震動取文獻[5]中的20條近斷層無脈沖地震波，脈沖型地震動取文獻[5]中的80條脈沖型地震波。非減震橋梁及拉索支座減震橋梁響應(yīng)的峰值取平均值后列于表l中，表中一并給出減震與非減震橋梁響應(yīng)的比值及近斷層無脈沖與脈沖型作用下橋梁響應(yīng)的比值。圖3給出近斷層脈沖地震動Imperial Vallev ECA #10作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)時程。圖4給出近斷層非脈沖地震動LomaPrieta GA #7作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)時程。
由表1和圖3、圖4可見，對于非減震橋梁結(jié)構(gòu)，與近斷層無脈沖地震動作用相比，近斷層脈沖型地震動作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯不同。近斷層脈沖地震動作用下非減震結(jié)構(gòu)的墩底剪力和墩底彎矩平均值均大于近斷層無脈沖地震動作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值，分別是1.09和1.09倍；無脈沖地震動作用下的主梁加速度大于有脈沖下的值，而主梁位移值則是脈沖型地震動作用下略大于無脈沖地震動作用下值。對于拉索支座減震橋梁結(jié)構(gòu)，近斷層脈沖地震動作用下與無脈沖地震動作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值要遠大于非減震橋梁的比值，墩底剪力、彎矩、主梁加速度、主梁位移、支座位移分別達到2.54、3.01、1.10、1.46和1.23倍，說明與近斷層非脈沖地震動相比較，脈沖型地震動對拉索支座減震橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能影響更大。
對于近斷層無脈沖地震動作用下，與非減震橋梁相比，拉索支座減震橋梁的墩底剪力、墩底彎矩均顯著減小，其平均值分別是非減震橋梁地震響直的0.13、0.11倍，非減震橋梁的墩底彎矩達到69 670 kN．m，遠超P2墩底截面處的極限彎矩值1 28 195 kN-m)，表明此時非減震橋梁結(jié)構(gòu)的P2墩底已經(jīng)發(fā)生破壞；拉索支座減震橋梁的墩底彎矩分別為7 517 kN-m，說明P2墩墩身彎曲強度仍能滿足預期的抗震要求，具有較高的安全儲備；主梁加速度、位移值分別是非減震橋梁的0.88倍，說明其減震效果良好。
對于近斷層脈沖地震動作用下，與非減震橋梁相比，拉索支座減震橋梁的墩底剪力、墩底彎矩亦明顯減小，其平均值分別是非減震橋梁地震響應(yīng)的0.30、0.30倍，非減震橋梁的墩底彎矩達到75 610 kN．m，表明此時非減震橋梁結(jié)構(gòu)的P2墩底也已經(jīng)發(fā)生破壞；拉索支座減震橋梁的墩底彎矩分別為22 600 kN．m，說明P2墩墩身彎曲強度仍能滿足預期的抗震要求，并具有一定的安全儲備；但是主梁加速度、位移值分別是非減震橋梁的1.26和1.18倍，說明位移值較非減震時要大一些，整體來看，其仍具有較好的減震效果。
2.2近斷層、遠場地震作用
對近斷層、遠場地震動作用下橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析，遠場地震動取文獻[3]中的20條遠場地震波，近斷層地震動取文獻[3]中的100條近斷層地震波，非減震橋梁及拉索支座減震橋梁響應(yīng)的峰值取平均值后列于表2中，表中一并給出減震與非減震橋梁響應(yīng)的比值及近斷層、遠場地震動作用下橋梁響應(yīng)的比值。圖5給出遠場地震動Chi-Chi CHY075作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)時程。
由表2、圖5可見，對于非減震橋梁結(jié)構(gòu)，與遠場地震動作用相比，近斷層地震動作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯較大。近斷層地震動作用下非減震結(jié)構(gòu)的墩底剪力、墩底彎矩、主梁加速度和主梁位移平均值均大于遠場地震動作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值，分別是1.49、1.56、1.22和1.49倍。對于拉索支座減震橋梁結(jié)構(gòu)，近斷層地震動作用下與遠場地震動作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值要遠大于非減震橋梁的比值，墩底剪力、彎矩、主梁加速度、主梁位移、支座位移分
別達到2.11、2.33、1.36、1.64和1.48倍，總的來說，與遠場地震動相比較，近斷層地震動對拉索支座減震橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能影響更大。
對于遠場地震動作用下，與非減震橋梁相比，拉索支座減震橋梁的墩底剪力、墩底彎矩更進一步減小，其平均值分別是非減震橋梁地震響應(yīng)的0.15、0.13倍，非減震橋梁結(jié)構(gòu)的P2墩底發(fā)生破壞，而拉索支座減震橋梁的P2墩墩身彎曲強度仍具有較高的安全儲備；主梁加速度、位移值分別是非減震橋梁的0.93和0.95倍，說明位移值與非減震時相差不大。
整體來看，拉索減震支座在遠場地震動作用下的減震率要大于近斷層地震動作用。這也從另一個方面反映近斷層地震動對橋梁結(jié)構(gòu)造成的破壞明顯大于一般遠場地震動，在近斷層地區(qū)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當加以重視。
3結(jié)語
本文以某高架橋梁為工程背景建立四跨連續(xù)梁橋的非減震結(jié)構(gòu)模型和拉索減震支座減震結(jié)構(gòu)模型，探討近斷層地震動對橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響，得到以下結(jié)論：對于近斷層脈沖型地震動作用下，拉索支座減震橋梁的地震響應(yīng)墩底剪力約為非減震橋梁的30%；近斷層無脈沖地震動作用下，減震橋梁的地震響應(yīng)墩底剪力約為非減震橋梁的13%；一般遠場地震動作用下，減震橋梁的地震響應(yīng)墩底剪力約為非減震橋梁的15%。脈沖型地震動作用下，主梁位移較非減震橋梁增加30%左右；結(jié)果表明，無論是近斷層脈沖型地震動、還是非脈沖地震動或一般遠場地震動作用下，拉索減震支座均能起到很好的減震作用，保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性，具有廣泛的適用性。
4摘要：處于近斷層地震威脅下的城市高架橋梁需要引入減隔震設(shè)計方案解決抗震問題，拉索減震支座由于其良好的適應(yīng)性較好地解決這一難題。以某城市高架橋中的4x 30 m跨徑連續(xù)梁橋為工程背景，建立全橋有限元模型，基于不同特性的地震動輸入，進行拉索減震支座減隔震方案的橋梁結(jié)構(gòu)非線性時程分析。計算結(jié)果表明，無論是近斷層脈沖型地震動、還是非脈沖地震動或一般遠場地震動作用，拉索減震支座均能起到很好的減震作用，滿足結(jié)構(gòu)的抗震需求，是高架連續(xù)梁橋減隔震體系的理想設(shè)計結(jié)構(gòu)。
