不同支座对异形斜交梁桥减隔震性能的影响研究*

曹 锋， 马 鹏， 靳威燕

(1.青海民族大学土木与交通工程学院，青海 西宁 810007；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

桥梁减隔震原理就是通过减隔震装置将桥梁上下部结构隔离开来[1]，减隔震装置通过延长桥梁自振周期以避免地震动卓越周期[2]，从而减少地震动能量传到下部结构，避免桥墩结构内力过大而损坏。超高阻尼橡胶支座对地震引起的梁的位移能够较好的控制，不同地震波入射角度及地震响应方向对连续梁桥动力响应计算结果有一定影响[3-5]。以天水陆港大道第一联(30+28.5)m异形斜交连续梁桥为实际工程背景，采用非线性时程分析方法，对普通橡胶支座和SHDR支座的地震反应的反应分别进行研究分析，研究在7种地震波不同入射角作用下1号固定墩和2号活动墩底纵向、横向弯矩值、墩顶位移值特性，为异形斜交梁桥减隔震设计提供参考。

1 工程概况及计算模型

1.1 工程概况

渭河五桥(陆港大道)桥梁工程属于甘肃(天水)国际陆港市政基础设施工程的一部分。渭河五桥第一联左幅异形斜交梁，桥梁跨径布置为(30+28.5)m，中间桥墩斜交76.2°设置，0#桥台和1#墩正交设置，1#桥墩，采用1600mm×2200mm矩形桥墩为固定墩，2#桥墩采用1600mm×2000mm带倒角矩形花瓶型桥墩为活动墩。主梁采用预应力混凝土箱梁结构，桥面双幅布置，单幅桥宽由23m渐变到17.5m， 17.5m标准断面布置形式为人行道(2.5m)、非机动车道(2.5m)、机非分隔带(0.5m)、行车道(11.5m)以及防撞护栏(0.5m)，箱梁高度为1.8m。

1.2 有限元模型

1.2.1 抗震计算参数

根据《城市桥梁抗震设计规范》，桥抗震设计的参数如下：桥梁抗震设计为A类，桥梁设防类别为丙类，地震动峰值加速度为0.3g，抗震设防烈度为8°，场地类别为Ⅱ类，分区特征周期为0.4s，地震动反应谱特征周期为0.4s，反应谱阻尼比为0.05，振型组合方式为CQC。

该桥采用SHDR支座，为非规则桥梁，为了能够反映桥梁的实际动力特性，并考虑SHDR支座的非线性特性，根据《城市桥梁抗震设计规范》要求，该桥抗震分析选取E2地震作用下七条人工拟合地震波作为地震动输入，计算结果取7组地震波计算结果的平均值。在E2地震作用下，将七条人工拟合波反应谱与抗震设计规范反应谱对比分析，如图1所示，吻合效果较好。

图1 拟合波反应谱与规范反应谱对比

1.2.2 支座模拟参数

桥梁超高阻尼隔震橡胶支座(SHDR)由超高阻尼隔震橡胶层、上下连接钢板以及内部加劲钢板迭层粘结组成；其中连接钢板是支座与建筑物、支座与地基连接的基础，同时传递支撑力；内部加劲钢板提高支座的竖向刚度，使其有效的支撑桥梁上部结构；而钢板间的超高阻尼隔震橡胶赋予支座吸收能量、弹性复位和承载能力。因此，超高阻尼隔震橡胶支座不但有普通橡胶支座的承载特性，同时具有较高的阻尼性能。这使得超高阻尼隔震橡胶支座具有优良的隔震、耗能、抗冲击破坏的能力。SHDR支座滞回曲线一般可近似的将滞回曲线简化为双线性曲线[7-8]，如图2(a)所示。

(a)SHDR支座 (b)FPQZ支座

根据静力计算支座承载力要求，桥SHDR支座采用2种型号，分别为：SHDR 970×970×173G1.0(20)，SHDR 1270×1270×179G1.0(20)，具体支座参数详见表1。

表1 SHDR支座参数表

根据静力计算支座承载力要求，桥FPQZ支座采用2种型号，分别为：FPQZ(Ⅱ)-9000，FPQZ(Ⅱ)-15000，具体支座参数详见表2。

表2 FPQZ支座参数表

1.2.3 计算模型

采用有限元分析软件Midas Civil—2019建立桥梁空间三维抗震模型，考虑桥梁上部结构及下部结构的共同刚度。桥墩和桩基础采用梁单元来模拟，支座模拟采用一般连接，桩基础底部固结，桩基土的弹性抗力采用土弹簧模拟。由于桥台各方向刚度均较大，故没有模拟桥台，采用在桥台支座底部固结的方式进行模拟。

2 桥梁地震响应分析

2.1 动力特性

采用Lanczos法对全桥动力特性进行分析，分别采用SHDR支座与普通支座时，桥梁结构的前10阶振型周期，如表3所示。采用SHDR支座时，桥梁结构第1阶、第5阶振型示意如图3所示。

表3 全桥结构动力特性

(a)第1阶振型图 (b)第5阶振型图

从表3可见，异性斜交桥梁结构采用FPQZ支座，结构前三阶自振周期增大最大，SHDR支座的前三阶周期增大较小为FPQZ支座的一半，FPQZ支座在增大周期方面比SHDR支座效果更好，增大自振周期可以错开地震动卓越周期，使结构延性增加，使得结构内力减小，进一步确保结构在地震作用下的安全[9-10]。

2.2 E2地震作用下时程分析结果

全桥动力模型分别采用SHDR支座、FPQZ支座和普通支座时，对墩底位置截面在E2地震作用下墩底最大内力及墩顶最大位移进行研究(内力及位移均为7条地震波平均值)。1#固定墩和2#活动墩墩底随地震波入射角(入射角为沿纵桥向的右偏角)的变化情况，如图4-5所示。

由图4可见，1#墩采用普通支座时地震反应内力最大值Mx,My发生在150°地震波入射角处，最小值发生在45°处。当采用超高阻尼SHDR支座和摩擦摆FPQZ支座后，1#墩My随地震波入射角的变化规律与普通支座相同；Mx随地震波入射角的变化规律，SHDR支座和FPQZ支座与普通支座相反，这由于横桥向减隔震支座改变结构的振动特性。1#墩纵横桥向内力采用SHDR支座和FPQZ支座后，内力最大值大幅减小，采用SHDR支座内力随入射角的变化幅度最小，减隔震性能较FPQZ支座好。

由图5可见2#墩采用普通支座时，地震反应内力最大值Mx,My发生在45°地震波入射角处，最小值发生在150°处，这与1#墩的采用普通支座的情况正好相反。当采用超高阻尼SHDR支座和摩擦摆FPQZ后，2#墩纵桥向内力My随地震波入射角的变化规律与1#墩采用减隔震支座基本相同，2#墩横桥向内力Mx随地震波入射角的变化规律与1#墩采用减隔震支座相差30°相位角。采用SHDR和FPQZ支座后，2#墩My明显增大，这是由于减隔震支座分担全桥纵向地震力所致，且SHDR支座与FPQZ支座相比左右墩受力更均匀，对全桥的受力更为有利。

由图4-5分析可见，该异形中墩斜交梁地震反应受地震波入射角的影响较大，工程设计中应充分考虑地震波入射角的影响，内力反应最大值与普通的直线正交梁桥情况不同，正交墩和斜交墩最大最小内力发生在2倍斜交角入射角和1/2～2/3斜交角入射地震波作用下，采用普通支座和减隔震支座时最大最小内力发生入射角也不相同，设计时应考虑这几种工况。

在E2地震作用下，异性斜交桥梁结构1#固定墩和2#活动墩分别采用SHDR支座、FPQZ支座和普通支座时，墩顶纵桥向及横桥向的最大位移值Dy,Dx随地震波入射角的变化关系，如图6-7所示。

由图6可见1#墩采用普通支座时，地震反应墩顶最大位移最大值Dy发生在150°地震波入射角处，最小值发生在45°处，横桥向正好相反。由图11可见2#墩的墩顶最大位移随入射角的变化规律与1#基本相同，只有2#墩纵桥向在SHDR支座和FPQZ支座下分担了更多的地震作用，墩顶位移较普通支座增加。采用减隔震支座后， 1#墩与2#墩协同受力，振动特性接近。

由图6-7可见，该异形中墩斜交梁地震作用下墩顶位移受地震波入射角的影响较大，工程设计中应充分考虑地震波入射角的影响，这与普通的直线正交梁桥不同。采用普通支座和减隔震支座时，斜交墩和相邻正交墩纵桥向最大位移发生在2倍斜交角入射地震波作用下，横桥向最大位移发生在入射角为1/2～2/3斜交角方向，设计中应考虑这两种工况。

从减隔震特性分析可见，SHDR支座性能较FPQZ支座较好，且FPQZ滑动有抬梁效益破坏桥面伸缩缝等附属设施，本桥最后采用SHDR支座。该桥采用支座的容许位移[D]为75mm，采用普通支座时固定墩的最大位移Dy为257.9mm，超过容许范围；采用SHDR支座后固定墩的最大位移Dy为62.6mm，满足容许值要求。

图4 E2地震作用下1#墩底内力-最大值(×103kN·m)

图5 E2地震作用下2#墩底内力-最大值(×103kN·m)

图6 E2地震作用下1#墩顶位移-最大值(mm)

图7 E2地震作用下2#墩顶位移-最大值(mm)

3 结 论

以天水陆港大道第一联(30+28.5)m异形斜交连续梁桥为实际工程背景，采用非线性时程分析方法，对普通橡胶支座、SHDR支座和FPQZ支座的地震反应的反应分别进行研究分析，研究在7种地震波不同入射角作用下1号固定墩和2号活动墩底纵向、横向弯矩值、墩顶位移值特性。

(1)异性斜交桥梁结构采用FPQZ支座，结构前三阶自振周期增大最大，SHDR支座的前三阶周期增大较小为FPQZ支座的一半，FPQZ支座在增大周期方面比SHDR支座效果更好，这是由于摩擦摆支座的减隔震原理主要通过增大自振周期实现；增大自振周期可以错开地震动卓越周期，使结构延性增加，使得结构内力减小，进一步确保结构在地震作用下的安全。

(2)采用SHDR支座和FPQZ支座后，1#固定墩纵横桥向内力大幅减小，内力最大值大幅减小，采用SHDR支座内力随入射角的变化幅度最小，减隔震性能较FPQZ支座好。采用SHDR和FPQZ支座后，2#墩分担全桥纵向地震力My明显增大，这是由于减隔震支座分担全桥纵向地震力所致，且SHDR支座与FPQZ支座相比左右墩受力更均匀，对全桥的受力更为有利。

(3)采用SHDR支座和FPQZ支座时使固定墩纵、横向位移均大幅减小，活动墩纵桥向位移较普通支座增加，使结构变柔，结构阻尼增加，可进一步提高耗能能力。

(4)异形中墩斜交梁地震作用下墩底内力和位移受地震波入射角的影响较大，工程设计中应充分考虑地震波入射角的影响，采用普通支座和减隔震支座时最大最小内力发生入射角也不相同，设计时应考虑。