新型减震防落梁支座性能分析

韩笑枫，刘 猛

(1.北京市首发高速公路建设管理有限责任公司，北京 100071; 2.同济大学，上海 200092)

近几十年来，在大地震中经常会出现桥梁结构间的碰撞和上部主梁脱落的现象。在1971年，美国的San Fernando地震中，多座公路桥梁产生不同程度的损坏，其主要原因为桥面板与桥台之间或桥面板之间发生碰撞[1]。我国1976年的唐山大地震中，桥梁结构毁坏较为严重，主要的破坏形式有主梁间碰撞损坏、支座破坏、主梁脱落等[2]。在1995年，日本阪神大地震，一座高架桥发生落梁破坏，震后调查发现主要由于支座破坏引起的[3]。在2008年，我国的汶川地震中，部分公路桥梁出现了落梁的震害，对震后救灾造成很大的困难，震后调查中发现梁式桥发生落梁主要是由墩梁相对位移过大所引起的[4]。新西兰2011年发生的Christchurch地震中，一些桥梁出现了碰撞破坏，主要原因为相邻结构间的相对位移过大所导致[5]。通过对历次大地震的总结，发现落梁的主要原因为桥梁上部结构的位移过大，这是桥梁倒塌的首要原因，必须对上部结构位移加以控制。防落梁系统是桥梁设计时必须考虑的，对于桥梁抗震发挥着十分重要的作用，由梁搁置长度、限位装置、连梁装置等三部分组成[6-7]，其主要功能是防止主梁从墩柱或盖梁上脱落。越来越多的桥梁震害使得国内外的专家学者投入到防落梁装置的研究中，取得了一定的研究成果，在实际工程中也有很多应用。但是在限位装置的设计方法、连梁装置的设计及实用化、缓冲装置的研究与开发等方面还存在许多问题。本文针对中小桥梁，基于板式橡胶支座，研发了一种新型减震防落梁支座，该装置不仅起到防落梁的作用，还兼具减震和保护支座的功能。

1 形状记忆合金

形状记忆合金(SMA)作为一种新型的智能材料，逐渐被推广应用于土木工程领域中。其主要特点为其独特的形状记忆效应和超弹性，具有大变形、耐疲劳、耐腐蚀、高阻尼等优点[8]。SMA在低周往复荷载作用下的应力应变曲线呈现旗帜形[9]，是一种性能良好的耗能材料。

形状记忆合金(SMA)具有独特材料特性的主要原因为其具有两种不同的结晶状态，分别为奥氏体和马氏体。在温度或应力的诱发因素下，材料的晶体结构状态可能会发生改变，称为马氏体相变。我们把SMA的奥氏体向马氏体的相变过程称为马氏体的正相变，把马氏体向奥氏体的相变过程称为马氏体逆相变。本文主要应用SMA的超弹性，暂不对其形状记忆特性进行详细的介绍。

形状记忆合金的超弹性特性是指在一定温度下，在外界荷载作用下产生的应力诱发的马氏体相变，在卸载的过程中又发生马氏体逆相变，SMA恢复到本来形状的过程，如图1所示，其路径为0→A→B→C→D→E→F→0。

2 SMA丝减震防落梁支座

2.1 支座组成

在板式橡胶支座的四周加上记忆合金丝形成一种SMA丝减震防落梁支座，支座的每个角有一根SMA丝，共计四根。利用了形状记忆合金的超弹性，其应力应变曲线为旗帜形，具有耗能的功能。该支座结构简单、原理明确、耐久性能好，适用广泛。支座如图2所示。

2.2 支座工作原理

支座周围的SMA丝在初始状态下处于不受力的状态，可以满足支座在正常使用阶段的常规变形。地震作用下主梁与墩台之间的相对位移开始增大，板式橡胶支座提供初始侧向刚度，随着相对位移进一步增加，SMA丝被拉紧，提供恢复力，限制相对位移的进一步增大。利用SMA的超弹性，可以起到减震耗能的作用，同时防止落梁的发生。地震作用下支座的工作状态如图3所示。

2.3 力学行为

图4为SMA丝受力分析，支座力学骨架曲线见图5，x1为SMA丝发挥作用前支座可以水平自由变形的位移，x2为SMA丝发挥作用时的支座的水平位移，h为支座高度，l1为记忆合金丝伸长量，F为记忆合金丝产生的拉力，F2为F的水平分力，ka为单根SMA丝奥氏体拉伸刚度，km为单根SMA丝奥氏体向马氏体相变的刚度，EA为SMA丝奥氏体拉伸弹性模量，EAM为SMA丝奥氏体向马氏体相变时的弹性模量。由于支座每个角都有记忆合金丝，共计4个，则有:

F2=4Fcos(θ-θ1)

(1)

k2x2=4kal1cos(θ-θ1)
k2x2=4kml1cos(θ-θ1)

(2)

(3)

(4)

3 案例分析

本节以某3跨简支梁桥为背景建立计算模型进行分析，全桥孔径布置为3×35 m，梁体采用预应力工字梁，桥墩采用双柱墩，基础采用钻孔灌注桩。

3.1 模型参数

全桥共计96个板式橡胶支座，采用一般连接中的滞后系统模拟非线性，本文的减震防落梁支座采用滞后系统和间隙单元以及钩单元结合的方式进行模拟。本模型考虑桩土的共同作用，用点弹簧模拟桩的边界条件，土弹簧的刚度采用表征土介质弹性值的m参数计算。对于可能发生塑性变形的单元即桥墩单元采用纤维单元模拟，核心混凝土采用Mander模型，钢筋采用双线性应力-应变关系，整体模型见图6。

选取安评报告中3条罕遇地震的人造地震动时程波，如图7所示。为对比分析支座的减震防落梁效果，共建立了两个模型。模型一为对只使用板式橡胶支座的桥梁进行地震响应分析。模型二为对使用SMA丝减震防落梁支座的桥梁进行地震响应分析，其主要参数为SMA丝的截面面积A和支座自由活动的初始间距u0，选取直径为12 mm的记忆合金丝，A=113 mm2，取u0=0.06 m。

3.2 结果分析

本模型为3跨的简支梁，结果分析时主要针对第二跨，所提出的结果为2号桥墩及其上部的支座。在第一条波作用下提取模型一和模型二的支座滞回曲线如图8所示，从图8中可以看出，减震防落梁支座剪切变形较小，滞回曲线较为饱满，具有一定的恢复力，满足当时的设计要求。

两种模型上下部结构相对位移见表1，采用普通橡胶支座时，支座的厚度验算和抗滑稳定性难以满足要求；采用减震防落梁支座时，位移减小率达到了50%以上，起到了一定的限位作用，可以保证支座的安全，防止发生落梁。两种模型墩底弯矩和墩顶位移见表2，表3，采用减震防落梁支座后，桥梁下部结构地震响应有明显增大。主要原因为：为了限制主梁出现较大位移，限位装置会承担额外的力传递到下部结构，导致桥墩响应增大。为减小上部结构位移，下部结构响应增大是无法避免的，但我们可以选用合理的参数来减小对下部结构的影响。

表1 支座剪切变形值

表2 墩底弯矩

表3 墩顶位移

3.3 参数分析

SMA丝的截面面积要根据实际桥梁构造和场地情况来计算，保证其具有足够的强度防止落梁。所以应使支座的SMA 丝在具体的截面面积下，对初始间距μ0进行参数分析，由于本桥桥墩在地震响应时基本进入塑性阶段，所以取墩顶位移进行分析，μ0对墩顶位移的影响如图9所示。由图9可知随着初始间距的增大，墩顶位移呈下降趋势，初始间隙越大，减震效果越好，主要原因为随着初始间距的增大，桥梁结构周期延长，地震响应会相对的减小，支座滞回曲线更加饱满，耗能更加明显。参数设计时，初始间距μ0的设计在满足位移限制的前提下要尽可能大一些。

4 结论

本文针对中小桥梁，基于板式橡胶支座，研发了一种新型减震防落梁支座，新型支座不仅起到防落梁的作用，还兼具减震和保护支座的功能。首先对新型减震防落梁支座进行了理论分析，得出其力学模型，并给出设计原则。借助于实际工程，利用Midas civil进行地震动时程分析，考虑不同地震动和墩柱塑性铰的影响，对减震防落梁支座的抗震性能进行了详细分析，结论如下：1)减震防落梁支座构造简单，力学模型合理，能满足支座的正常变形，在地震作用下提高支座的恢复力，使其有良好的耗能、限位功能。2)通过实例验证发现防落梁支座滞回曲线较为丰满，限位效果明显，具有较高的恢复力，能够起到保护支座和防落梁的作用，满足当时的设计要求。3)减震防落梁支座设计时，SMA丝的截面面积要根据实际桥梁构造和场地情况来计算，保证其具有足够的强度防止落梁，初始间距μ0的取值在满足位移限制的前提下要尽可能大一些。