張 琰， 吳宜峰,2， 李愛群,2,3

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044； 2.北京建筑大學 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100044；3.東南大學 土木工程學院， 南京 210096)

近年來，主要的幾場近場地震動對結(jié)構(gòu)造成了極大的破壞。一般認為，距斷層破裂面小于20 km的區(qū)域為近斷層區(qū)域[1]，其以短持時和高能量的脈沖運動為特征，可能對結(jié)構(gòu)造成較大的位移和變形[2-3]。目前，隔震技術(shù)因概念通俗易懂、應用效果顯著，是廣泛應用的減震手段之一[4]，其在近場地震動作用下也可發(fā)揮較好的作用[5]。因此，針對近斷層地震動作用下大跨度橋梁的反應特性，有必要對其進行減隔震設(shè)計研究。

在大跨度的連續(xù)梁橋中，通常利用摩擦擺支座(Frictional Pendulum Bearing， FPB)來減小橋梁的墩底內(nèi)力，摩擦擺支座作為一種有效的摩擦滑移減隔震體系，因其自復位能力良好以及造價較低，受到國內(nèi)外學者的深入研究[6]。焦馳宇等[7]對比了2種FPB分析模型對連續(xù)梁橋的影響，并提出了FPB支座合理抗震計算模型選取時應注意的問題以及參數(shù)選取。MURAT等[8]提出一種新的FPB模型，進而研究了FPB的法向力與摩擦系數(shù)等的變化對三維多跨連續(xù)鋼梁橋模型響應的影響。彭天波等[9]通過有限元分析將雙曲面摩擦擺支座應用在一座兩跨連續(xù)梁橋中，得出該支座可以滿足連續(xù)梁橋的減隔震要求。SIQUEIRA[10]、KRISHNAMOORTHY[11]等通過研究均表明摩擦擺支座在連續(xù)梁橋上具有很好的隔震效果。但是，F(xiàn)PB在減小墩底彎矩與剪力的同時，也會引起墩梁相對位移的增大，所以有必要采用拉索來減小墩梁相對位移。DESROCHES等[12]通過簡支梁橋足尺擬靜力試驗測試了拉索的限位能力以及橋梁失效模式。袁萬城等[13-14]通過有限元研究了拉索減震支座對連續(xù)梁橋地震響應的影響以及拉索支座的合理參數(shù)取值。石巖等[15]以一座高速鐵路連續(xù)梁橋為例，研究在近斷層地震動下，采用減震榫與拉索限位器組合減震方案橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。袁萬城等[16]研究了考慮地震動空間效應的深水橋梁拉索減震體系的減震效果，進一步改進了拉索減震支座，以一座三跨連續(xù)梁橋為背景，研究新型拉索減震支座在設(shè)計參數(shù)對脈沖型地震作用下橋梁減隔震性能的影響規(guī)律[17]。

以上研究大多都是分析連續(xù)梁橋在遠場地震作用下的地震響應，針對近斷層脈沖地震動下的安裝有FPB和拉索減震支座的橋梁地震響應分析與參數(shù)研究不多，而近斷層地震動有可能對隔震橋梁產(chǎn)生嚴重損害，所以，本文以一座混凝土三跨連續(xù)梁橋為工程背景，利用有限元分析研究FPB與拉索減震支座參數(shù)不同取值對橋梁減震效果的影響。

1 工程概況及橋梁計算模型

本文以一座(55+95+55) m的三跨預應力連續(xù)變截面箱梁橋(圖1)為研究背景建立MIDAS/Civil模型(圖2)，并進行地震響應分析。該橋主梁采用單箱單室變截面箱梁，梁底線形為二次拋物線，12號與13號橋墩采用矩形墻式墩，尺寸為3.5 m×8.9 m，11號與14號橋墩采用分離式雙柱式橋墩，其墩柱直徑為1.8 m。

在MIDAS/Civil三維有限元模型中，共161個節(jié)點、134個單元以及89個截面。橋梁的主梁、蓋梁、橋墩和承臺均采用空間梁單元模擬，主梁采用單梁法建立，橋面鋪裝、欄桿均以均布荷載的形式加在縱梁上。11號與14號橋墩上的活動盆式支座均采用“一般連接”中的“滯后系統(tǒng)”來模擬。橋墩混凝土材料采用Mander本構(gòu)模型，鋼筋選用雙折線模型，橋墩截面采用纖維模型，以便考慮橋墩的塑性變形耗能影響。由于樁基礎(chǔ)剛度足夠，為簡化分析，橋墩底部固接，不考慮樁土相互作用。

2 拉索減震支座計算模型

拉索減震支座是由拉索與摩擦擺支座組合而成，如圖3(a)所示，因此也同時具備了2種支座的優(yōu)點。在地震動作用下，連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的能量通過摩擦擺支座的摩擦力將其傳遞到下部結(jié)構(gòu)，防止了橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大的破壞；并且當摩擦擺支座發(fā)生過大的位移時，再利用拉索限制其相對位移，避免產(chǎn)生落梁等危險。拉索減震原理通俗易懂, 應用廣泛，且技術(shù)成熟, 造價低廉，在橋梁領(lǐng)域具有很大的應用前景。

拉索減震支座的恢復力曲線如圖3(b)所示，F(xiàn)為支座恢復力；D為位移；K1為摩擦擺支座的滑動前剛度；K2為拉索剛度；F1為摩擦擺支座開始滑動時的特征強度；d1為摩擦擺支座開始滑動時的臨界位移；d2為拉索的初始間隙。拉索減震支座具有分級抗震功能，當支座位移小于d2時，支座可視為摩擦擺支座，通過摩擦力耗能傳遞能量；當支座位移大于d2時，拉索剛度K2再發(fā)揮作用。在有限元軟件MIDAS/Civil中，采用軟件自帶的摩擦擺支座力學模型與“一般連接”中的“鉤單元”相互結(jié)合組成拉索減震支座模型。摩擦擺支座力學模型的主要參數(shù)為摩擦系數(shù)μ與滑道半徑R，此處不考慮摩擦系數(shù)隨速度的變化，取μ為0.03，R為5 m[18]。拉索的主要控制參數(shù)為拉索剛度K2與初始間隙d2，根據(jù)袁萬城等[13-14]1593-1600,1126-1131的研究，當K2<300 MN/m，其橋梁墩梁相對位移隨著拉索剛度的增大而迅速減小，而K2>300 MN/m則相對位移的減小速度變小。為研究支座不同參數(shù)取值對大跨連續(xù)梁橋隔震效果的影響，在袁萬城等[13-14]1593-1600,1126-1131研究的基礎(chǔ)上取K2分別為3、6、9、15、30、45、60、90 MN/m，d2分別為0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40 m。本文在進行拉索減震支座參數(shù)分析時，重點研究支座不同參數(shù)取值對最大橋梁墩底彎矩與最大墩梁相對位移的影響。

3 近斷層地震動輸入

目前，近斷層脈沖地震動對結(jié)構(gòu)響應的研究較多[19-23]，但仍少見直接研究脈沖周期Tp對橋梁地震響應的影響。因此，為了研究不同脈沖近斷層地震動作用下結(jié)構(gòu)的響應，選取6條不同脈沖周期的近斷層地震動輸入，Tp分布為1～6 s，將其分為3組，分別為1～2 s、3～4 s、5～6 s，輸入3組不同范圍的近斷層地震動探究拉索減震支座不同參數(shù)組合時橋梁地震響應值的變化規(guī)律。按Tp從小到大的順序?qū)⒌卣饎泳帪?#～6#，表1列舉了6條地震動的詳細信息。橋梁位于地震烈度8度區(qū)，橋梁分類為B類，按照JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細則》[24]將各條地震動的加速度時程曲線峰值調(diào)整為0.39 g。圖4為地震動1#和地震動6#調(diào)幅后的加速度時程曲線。

表1 地震動主要特征

4 拉索減震支座參數(shù)分析

4.1 拉索減震支座減震效果量化

為了更加具體地探究拉索減震支座對橋梁的減震效果，設(shè)置1組拉索支座的拉索剛度為0(等同于未設(shè)置拉索)作為參照，并定義彎矩減震率φ、位移減震率ψ為:

(1)

(2)

式中：Mmax、Dmax分別為未設(shè)置拉索方案中橋墩最大墩底彎矩、最大梁墩相對位移，單位分別為kN·m、cm；M′max、D′max分別為其余拉索減震支座方案中橋墩最大墩底彎矩、最大梁墩相對位移，單位分別為kN·m、cm。

4.2 參數(shù)分析

將6條近斷層地震波分別沿縱橋向輸入橋梁中進行非線性時程分析。根據(jù)12號墩的塑性彎矩曲率曲線得到其開裂彎矩為50 586 kN·m，曲率為6.240 91 m-1；其屈服彎矩為159 762 kN·m，曲率為0.000 77 m-1。由于12號與13號墩的地震響應值相似，故此處僅列舉出12號墩的響應結(jié)果，6條地震波12號墩的地震響應值如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知，隨著Tp的增大，橋墩的最大墩底彎矩值與最大相對墩梁位移值隨之增大。由圖5可得，當近斷層地震動Tp為1～2 s時，12號墩的最大墩底彎矩值隨著拉索剛度的增大而增大，隨著拉索間隔的增大而減?。挥绕洚攄2=0時，隨著Tp值的增大，橋墩的最大墩底彎矩值的增長幅度漸趨平緩。2條近斷層地震動作用下的未設(shè)置拉索時的最大墩梁位移值為12～14 cm，而隨著拉索剛度的增大，d2=0時的最大墩梁相對位移出現(xiàn)了反常增大的現(xiàn)象，這是由于未設(shè)置拉索時的最大墩梁相對位移較小，其位移的變化比較不好控制，且由于其位移本身很小所以對支座減震效果影響不大。由圖6可知，在近斷層地震動Tp為3～4 s時，隨著拉索剛度的增大，12號墩的最大墩底彎矩值隨之增大且增大的幅度逐漸減小，而最大墩梁相對位移值隨之減小且減小的幅度逐漸減??；隨著拉索間隔的增大，12號墩的最大墩底彎矩值隨之減小，而最大墩梁相對位移值隨之增大。2條地震動作用下的拉索間隔d2=0方案時的橋墩最大墩底彎矩值在拉索剛度為45 MN/m時，其彎矩值增加的幅度增大，這是由于相對應的位移值在拉索剛度K2>45 MN/m時，最大墩梁相對位移值幾乎沒有變化，同時拉索剛度在增大，所以其彎矩值會突然激增。由圖7可知，當近斷層地震動Tp為5～6 s時，其彎矩值與位移值隨著拉索剛度和拉索間隔的整體變化趨勢與圖6相同。但是，在6#地震動作用下d2≤0.10 m的方案中，當拉索剛度K2>30 MN/m時，其彎矩值與位移值隨著拉索剛度與間隔的變化規(guī)律出現(xiàn)了一定的反?，F(xiàn)象。

經(jīng)過計算機分析得出，在拉索剛度K2為0(即未設(shè)置拉索)方案中，當Tp=2.996 s時，橋墩的最大墩底彎矩值為16 918.8 kN·m，其最大墩梁相對位移值為21.951 cm；當Tp=5.649 s時，橋墩的最大墩底彎矩值為30 000.0 kN·m，其最大墩梁相對位移值為42.922 cm。按照式(1)與式(2)可得到拉索減震支座的彎矩減震率與位移減震率，此處只列舉3#與6#地震動作用下的拉索支座的減震率，見表2～表5。

表2 拉索減震支座方案彎矩減震率(3#)

表3 拉索減震支座方案位移減震率(3#)

表4 拉索減震支座方案彎矩減震率(6#)

表5 拉索減震支座方案位移減震率(6#)

5 總結(jié)

本文以一座三跨連續(xù)箱梁橋為研究背景，在不同脈沖周期Tp的近斷層地震作用下，研究了摩擦擺- 拉索減震支座不同參數(shù)組合對橋梁減震率的影響，得到的結(jié)論如下：

1)隨著脈沖周期Tp的增大，橋梁最大墩底彎矩與最大墩梁相對位移隨之增大，當脈沖周期Tp為5.649 s時，橋墩的最大墩底彎矩值可達到30 000.0 kN·m，其最大墩梁相對位移值可到達42.922 cm。拉索減震支座控制墩梁相對位移的效果也越明顯，其位移減震率可達到50%。

2)在近場速度脈沖型地震動作用下，隨著支座拉索剛度K2的增大，橋梁墩底彎矩值隨之增大且增大的幅度逐漸減小，而墩梁位移值隨之減小且減小的幅度逐漸減??；隨著拉索間隔d2的增大， 橋梁墩底彎矩值隨之減小，而墩梁位移值隨之增大。

3)隨著脈沖周期Tp的增大，橋梁位移減震率隨之增大。拉索減震支座合理參數(shù)拉索間隔d2應控制在0～0.10 m，拉索剛度K2控制在15～60 MN/m。

本文主要針對(55+95+55) m的三跨連續(xù)梁橋開展研究，對于橋梁不同跨徑的變化所帶來的復雜工況，以及對大跨連續(xù)梁橋的響應在近斷層地震作用下的影響尚未考慮。在下一步研究中，將考慮跨徑變化對于近斷層地震作用下裝配有拉索減震支座橋梁的響應的影響。