大跨度连续梁黏滞阻尼器与双曲面球型减隔震支座的应用实例

崔 鸣

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

混凝土收缩、徐变、温度变化对连续梁有较大的影响，连续梁一般情况下只有1个固定桥墩。但是当连续梁的联长很长时，地震作用下由于上部结构质量非常大，由此产生巨大的地震力。而地震力主要由固定墩及固定墩基础承担，通常情况下一个固定墩很难承受如此巨大的地震力。与此同时固定支座也将承受很大的水平地震力，对于超长大跨度连续梁，支座很难保证在水平地震力作用下不发生破坏，因此对于联长很长的大跨度连续梁抗震问题尤其突出。

针对大跨度连续梁抗震问题，工程界一般采用以下两种思路解决：(1)延性设计；(2)减隔震设计[1-2]。

延性设计的特点是在地震力作用下，桥墩可以进入塑性状态，从而延长桥梁结构自振周期，桥墩产生塑性变形，从而消耗地震能量。减隔震设计通过设置减隔震装置延长结构周期或设置黏滞阻尼器增加结构阻尼来减少地震作用。对于在路网中起重要作用的长联大跨连续梁，若采用延性设计，震后修复工作量巨大，影响路网震后使用。而且长联大跨连续梁梁体质量巨大，采用目前的延性设计方法很难满足规范要求。

1 工程背景

本文依托某在建轨道交通项目。根据黄河水利委员会防洪评价的要求：对跨越主河槽时桥梁跨度不得小于100 m的要求，采用(50+8×100+50) m预应力混凝土连续梁跨越主河槽。见图1。

图1 (50+8×100+50) m预应力连续梁

(50+8×100+50) m为变截面连续箱梁，单箱单室，中支点梁高6.6 m，边支点梁高3.2 m。20～23号桥墩采用3.0 m×7.0 m圆端形桥墩，24～28号桥墩采用3.4 m×7.0 m圆端形桥墩，桥墩高度为11.5～20.5 m。基础为钻孔灌注桩，桩基直径为1.5 m，其中24号固定墩桩基根数为16根，其余桥墩桩基根数为12根。

2 地震动参数

项目工程场地地震安全性评价报告提供的地震动参数见表1。

表1 地震动参数

3 抗震设计及抗震性能目标

(50+8×100+50) m连续梁位于8度地震区，联长达到900 m，且桥墩高度较低，导致桥梁刚度较大。不但纵向地震力大，横向地震力也很大，常规抗震措施无法满足规范设计要求，需要进行减隔震抗震设计。

通过大量对比分析，最终采用双曲面球型减隔震支座和黏滞阻尼器联合使用的减隔震措施。发生多遇地震时，双曲面球型减隔震支座不发生破坏，连续梁固定墩及固定墩基础承担大部分地震力。发生罕遇地震时，双曲面球型减隔震支座发生破坏，限位装置被剪断，双曲面球型减隔震支座开始工作，延长桥梁结构周期，从而降低地震作用。与此同时为了不产生过大的墩梁相对位移，黏滞阻尼器发挥作用，增加结构阻尼，耗散地震能量，从而将墩梁相对位移控制在合理范围之内。

综合考虑(50+8×100+50) m连续梁在路网中的重要性，以及参考其他桥梁设计经验及研究成果，以50年超越概率2%(2475年一遇)的地震动进行抗震设防，抗震设防目标确定如下[10]。

(1)发生罕遇地震时，双曲面球型减隔震支座作为桥梁结构主要发生塑性变形的部位，纵横向墩梁相对位移不超过支座允许位移0.3 m。

(2)发生罕遇地震时，双曲面球型减隔震发生破坏，限位装置剪断。桥墩及基础不发生破坏，钢筋应力不超过315 MPa，处于弹性状态。

4 双曲面球型减隔震支座及黏滞阻尼器布置形式

全桥不设横向活动支座，固定墩为2个固定支座，其余桥墩支座均为纵向活动支座。

连续梁20～28号桥墩上各布设4个黏滞阻尼器，阻尼器和桥梁轴线夹角为45°，阻尼器一端于桥墩支撑垫石外侧处与桥墩连接，一端锚固于箱梁0号段底板，阻尼器布置示意见图2。

图2 阻尼器布置

5 分析模型

采用桥梁有限元软件Midas Civil建立有限元模型[3-17]。其中桥墩、梁、承台采用空间6节点梁单元模拟。桩基础采用6个不同方向的弹簧模拟，弹簧的刚度采用“m”法计算。动力计算时m的取值为静力计算时的2倍，m最终取值为16 000 kN/m4。桥址处存在饱和液化砂土和粉土，计算时考虑8.0 m的液化深度。二期恒载等效为质量均匀地施加到主梁中。

6 双曲面球型减隔震支座及黏滞阻尼器模拟及参数选取

双曲面球型减隔震支座采用双线性恢复力模型模拟，见图3[18]。

图3 双曲面球型减隔震支座恢复力模型

黏滞阻尼器[1-2]通常由以下3部分组成：活塞、油缸、节流孔。黏滞阻尼器产生阻尼力的机理是：活塞存在前后压力差，压力差使油流过节流，从而产生阻尼力。通常情况下采用下式模拟阻尼力，F=CVα，其中:C为阻尼系数;V为阻尼器相对运动速度;α为速度指数，一般情况下α的取值为0.2～0.5。

对于双曲线球型减隔震支座，增大支座下摩擦副半径可以使减震效果加强，但是于此同时会增加墩梁相对位移。经过大量试算及综合比选确定支座下摩擦副半径为3.5 m，摩擦系数取值为0.03。

黏滞阻尼器阻尼系数C取值为2 000 kN/(mm/s)，速度指数α取值为0.3，阻尼器设计吨位为1 600 kN。

7 地震动输入

根据(50+8×100+50) m连续梁场地安评报告提供的地震动参数。非线性时程分析时，输入3条50年超越概率2%的水平加速度地震波。本文仅列出地震动反应最大的一条时程波结果。见图4。

图4 输入时程波

8 结果分析及结论

结构的减隔震第一自振周期为3.26 s，表现为纵向漂移，见图5。与非减隔震第一自振周期1.92 s相比，结构周期延长较多，双曲面球型减隔震支座效应明显。

图5 减隔震第一自振周期

20～28号桥墩顺桥向及横桥向墩底地震反应见表2，根据计算结果发现采用双曲面球型减隔震支座和黏滞阻尼器减隔震措施，可以使地震力平均分配到各个桥墩，从而使桥墩共同抗震。

罕遇地震作用下20～28号墩阻尼器纵向输出力见图6。根据计算，阻尼器最大输出力1 612 kN，选定阻尼器的设计吨位为1 600 kN。

表2 20～28号墩地震反应

图6 阻尼器纵向输出力

罕遇地震作用下24号固定墩墩顶处墩梁纵向相对位移、墩顶处相对横向相对位移见图7。其中最大纵向墩梁相对位移为0.263 m，最大横向墩梁相对位移为0.248 m，均控制在0.3 m之内。

图7 固定墩墩顶相对位移

罕遇地震作用下24号固定墩黏滞阻尼器滞回曲线见图8，黏滞阻尼器的滞回曲线比较饱满，由此可见耗能明显。

图8 阻尼器滞回曲线

根据计算分析，桥墩及桩基在罕遇地震作用下，钢筋应力均未超过315 MPa，桥墩及桩基处于弹性状态；纵向及横向墩梁相对位移控制在0.3 m以内。

(1)未使用双曲面球型减隔震支座和黏滞阻尼器时，24号固定墩顺桥墩底弯矩达到340 000 kN·m，其余桥墩墩底弯矩为24 000～40 000 kN·m，可见使用双曲面球型减隔震支座和黏滞阻尼器可以使地震力平均分配到各个桥墩，从而使桥墩共同抗震。

(2)双曲面球型减隔震支座和黏滞阻尼器联合使用，可以保证地震作用下桥墩和桩基础处于弹性工作状态。

(3)双曲面球型减隔震支座和黏滞阻尼器联合使用，顺桥向和横桥向减隔震效果明显，为其他高烈度地震区长联大跨连续梁的抗震设计提供参考。

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