双曲面球型减隔震支座在潮漳高速公路韩江特大桥上的应用

蒋娜芳，鄢宏庆

(广东交通职业技术学院，广州 510650)

1 工程概况

潮漳高速公路位于潮州市境内，是打通广东潮州和福建漳州的重要交通线路，全长64.561km。韩江特大桥为潮漳高速公路上的重点、难点工程。全桥长1 276.4m，主桥长470m，主桥跨径布置为55m+4×90m+55m，为超长多跨连续梁桥。

韩江特大桥设计采用的主要技术标准为[1]：

(1)设计行车速度：100km/h。

(2)设计汽车荷载：公路—I级。

(3)温度影响：最高温度34℃，最低温度0℃，线膨胀系数为1.0×10-5/℃。合拢温度按20℃考虑。

(4)设计洪水频率：1/300。

表1 韩江特大桥主桥设防水准

(5)桥址地震动峰值加速度：0.17g[2]。

(6)场地土类别：Ⅱ类场地。

2 主桥结构体系选择

韩江特大桥跨航道处主桥上部结构为(55m+4×90m+55m)预应力砼现浇连续箱梁，跨越古巷侧河堤，墩高除10#桥墩(堤外主墩)为17m外，其余主墩(11#、12#、13#、14#桥墩)均接近30m，墩高较高。多跨连续梁桥常见的体系方案为：多跨刚构桥、多跨连续-刚构桥和连续梁桥，本文对其进行比选。

(1)主跨为连续梁的多跨刚构桥和多跨连续-刚构桥：多跨刚构桥相比多跨连续梁，施工时无需结构体系转换，后期运营也无需大吨位支座养护，经济性较好。但其刚度大，地震荷载作用下，主要靠增大桥墩和基础的截面尺寸以及配筋量来满足抗震设计的需要。

(2)连续梁桥：相比刚构，施工复杂，后期养护成本较高。但在地震荷载作用下，可通过设置减隔震支座来满足抗震设计的需要。

由于本桥墩高联长，采用多跨连续-刚构体系是结构设计的首选，设计对多跨连续-刚构桥体系(11#、12#、13#桥墩墩梁固结，其他桥墩采用支座)进行了罕遇地震响应分析。

桥梁抗震计算分析采用midas civil2015有限元程序。在E2地震荷载作用下桥墩墩底地震内力计算结果见表2(轴力受拉为正)，桩基地震内力计算结果见表3(轴力受拉为正)。

表2 桥墩控制截面内力

表3 桩基控制截面内力

由表2计算结果可知，地震力在墩底产生了强大的地震内力。E2地震荷载作用下，经计算，在常规范围内加大桥墩截面尺寸或增大配筋桥墩都将进入塑性。由表3计算结果可知，地震力在桩基产生了强大的拉力和弯矩，单纯靠增大桩基尺寸或截面配筋既不经济又不美观，无法实现既定的抗震性能目标。

综上分析，由于本桥地震烈度较高，且场地条件较差，地震力较大，连续刚构体系下部结构受力较大，连续刚构体系已经不能满足E2地震作用下桩基础保持弹性的抗震性能目标。为减小地震力，满足结构抗震性能的目标需求，设计最终采用了可以适应减隔震装置的连续梁桥方案。

3 减隔震支座选择

通常在连续梁桥梁使用的减隔震支座有三种：铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、双曲面球型减隔震支座。三种支座中，双曲面球型减隔震支座适应大吨位能力最强, 具有承载力大、耐久性好, 并能够提供可靠的自恢复能力的优点[4]。韩江特大桥主墩支座竖向承载力要求达22 500kN,超过了高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座最大的承载能力，且考虑支座耐久性，设计最终采用了大吨位的双曲面球型减隔震支座。

图1 韩江特大桥主桥立面布置

图2 韩江特大桥抗震计算模型

4 双曲面球型支座简介

双曲面球型减隔震支座是将摩擦摆支座的工作原理成功运用到常用的球型支座上的一种减隔震支座[5](图3)。

图3 双曲面球型减隔震支座

4.1 正常工作状态及多遇地震状态下工作原理

桥梁在正常使用状态及多遇地震状态下，支座的限位装置处于正常限位状态，支座通过球面不锈钢滑板与四氟滑板形成摩擦副，实现梁体的转动位移和水平位移需求[6]。在正常使用状态下，水平荷载由限位装置传递，竖向力由球体之间的摩擦副传递。

4.2 减隔震状态工作原理

当罕遇地震发生时，地震水平力如果超过抗剪销和安全螺栓的设计值，支座的限位装置将被剪断。支座的横向限位装置失效后，支座可以往复滑动，从而消耗地震能量，并使结构的自振周期延长，从而达到了减小地震力的目的。震后，在自重的作用下，支座复位[6]。支座滞回曲线如图4所示。

图4 双曲面球型减隔震支座滞回曲线

5 减隔震效果分析

5.1 支座参数确定

双曲面球型减隔震支座设计参数主要包括：

(1)支座等效曲率半径：用于抗震计算参数设置，曲线半径越大，支座屈服后刚度越小，等效阻尼比越大。

(2)支座震后位移：指支座在地震情况下的位移最大振幅。

(3)支座摩擦系数：反映支座耗能能力，一般取0.02～0.03。

双曲面球型减隔震支座设计的过程就是确定合适的支座参数，得到较优的地震内力和位移响应。本桥根据非线性时程分析确定的支座参数见表4。其中9#、15#过渡墩采用KZQZ4000ZX纵向活动支座；10#、14#边墩采用KZQZ20000ZX纵向活动支座；11#、12#、13#桥墩采用KZQZ20000GD固定支座。

表4 支座参数

5.2 减隔震效果

在地震作用下，双曲面球型支座耗散地震能量，延长结构周期，实现了减隔震的功能要求。由于采用双曲面球型支座，桥墩墩底的弯矩大大减小，11#桥墩减小了68%，12#桥墩减小了56%,13#桥墩减小了77%；对于桩基础内力，桩基础的拉力大大减小，弯矩也减小约60%，最终主墩采用了四根φ2.2m的桩基础，桩基配筋率为1.39%。

双曲面球型支座对地震内力的减震效果明显，支座增大了结果等效阻尼比，有耗散地震能量的作用，但是结构刚度的降低会造成结构地震位移的增大。经参数分析比选，支座的震后位移取350mm为结构可接受范围，也可取得较好的减震率。

表5 桥墩控制截面内力(采用减隔震支座)

表6 桩基控制截面内力(采用减隔震支座)

6 速度锁定支座的应用

速度锁定支座是由速度锁定器与活动型桥梁支座，如球型钢支座、盆式支座等组合而成，既能适应活动型支座的功能需求，又能发挥速度锁定器的分担地震力及限位作用，属于国内新型的抗震支座[7]。

本桥的14#桥墩较高，由于韩江特大桥联长较长，考虑温度的影响，仅在中间三个主墩设置了固定型双曲面球型支座，在边墩设置了活动型双曲面球型支座。在地震荷载作用下，边墩纵桥向不能分担地震力，为提高桥梁的抗震能力，在14#桥墩设置了速度锁定器。在罕遇地震作用下，速度锁定器自动水平锁定，能发挥固定支座功能，从而与其他固定支座一起抵抗水平力，提高了桥梁结构的整体抗震能力。这种支座既能适应桥梁静力位移，又能够抵抗地震水平力。

图5 速度锁定器结构

本桥设计时将速度锁定器作为一种安全储备，固定支座的主墩受力按速度锁定支座为活动支座考虑，从而提高了结构的抗震能力，增强了结构在地震荷载下的安全性。

7 结语

潮漳高速公路韩江特大桥位于深水区，其规模大、地质条件复杂、地震烈度较高、场地条件较差。在设计过程中综合结构的受力安全、地质条件、工期、造价等因素，通过多方案比较及设计优化，选择了主墩采用双曲面球型减隔震支座、边墩采用速度锁定支座的连续梁体系。计算表明，该设计方案减隔震效果明显，并且能够有效地防止落梁，较好地实现了抗震设计的目标。