桥梁工程抗震设计中弹塑性钢减隔震应用

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摘要：为了有效保障桥梁工程能够在地震发生之后依旧稳固与安全，需要将减隔震装置应用于桥梁减隔震设计环节。文章以某预应力混凝土矮塔斜拉桥为例，通过介绍弹塑性钢减隔震支座（DNQZ支座）的结构及原理，分析桥梁工程抗震设计中弹塑性钢减隔震支座的应用。经软件分析，在DNQZ支座实施应用之后，结构自振周期显著延长，并能明显地降低桥墩所承受剪力以及弯矩，桥墩在横桥向以及顺桥向均保持着更均匀的地震承受能力，可在全桥范围内达到协同抗震目的。

关键词：桥梁工程；抗震设计；弹塑性钢减隔震支座

0引言

地震极大地危害着人类社会，如果桥梁在地震中受到损坏，会影响灾区重建以及抗震救援，所以在桥梁工程设计环节要高度重视抗震设计。在桥梁抗震设计环节运用减隔震装置，不仅可以通过装置具有的柔性结构对结构周期加以延长，有效缓解地震力，同时还能通过减震装置耗能对因结构周期延长引发的位移加以控制。目前桥梁结构当中应用的减隔震装置主要为减隔震支座，包含了弹塑性钢耗能体系、滑动摩擦体系、橡胶类隔震体系。相比后两种，弹塑性钢减隔震支座能够通过变形耗能原理，获得更优良的减隔震效果。为此，有必要对桥梁工程抗震设计中弹塑性钢减隔震支座的实施进行深入研究。

1工程概况

本文选择某预应力混凝土矮塔斜拉桥作为工程案例，此桥梁工程双幅设计，主梁为变截面箱梁形式，塔高度为31m，桥梁下部为柱式桥台，同时桥梁基础为钻孔灌注桩。桥梁区域当中，反应谱特征周期保持在0．45s，地震动峰值加速度则保持在0．2g。将弹塑性钢减隔震支座设计应用于此桥梁工程中，主要是对整联沿桥中部进行固定支座的设置，同时结合桥梁平时产生的位移布置活动支座，具体布置如图1所示。结合抗震设防烈度以及桥梁结构设计所提要求，此支座在设计当中屈服位移保持在33mm，同时一次刚度保持在97．8kN／mm，二次刚度保持在3．84kN／mm。

2弹塑性钢减隔震支座的结构与原理

2．1支座结构

弹塑性钢减隔震支座即为DNQZ支座，此支座立足功能层面分析，可划分成4种类型，分别是纵向活动支座、横向活动支座、双向活动支座、固定支座［1］。在相应支座结构当中，以固定支座作为案例，可发现此支座当中主要包含3种基础组成部分，分别为锚固连接构件、减隔震组合装置、球型钢支座本体。其中，锚固连接构件又包含锚固螺栓、套管、锚杆等部件，实际应用中，分别把支座锚固设置在墩台和主梁上。减隔震组合装置又包含两大组成部分：（1）以导向板和非线性阻尼辐所组建的一种导向耗能组件，这其中所包含的非线性阻尼辐可以有效耗散地震能量；（2）由限位耗能螺栓与限位板共同构建的一种限位耗能组件，一旦发生地震，其中所包含的耗能螺栓有助于对地震能量加以耗散。球形钢支座本体属于一种新形式的球形钢支座［2］。通常情况下，高烈度地震区域所分布的铁路桥梁、市政桥梁、公路桥梁等工程均比较适合应用DNQZ支座。DNQZ支座以分离设计原则布局滑动面与转动面，促使两者可通过摩擦耗能，同时其周边所设置非线性阻尼辐元件可在其牵制效能发挥下起到良好的防落梁作用，并且不同结构之间在有效耗能基础上，可达到多级设防设计目的［3］。在发生地震之后，只需对其中的弹塑性钢阻尼元件以及限位装置加以更换，便于后续维修与保养。这种类型的支座能使支座具有更高抗疲劳性能，并可发挥优良的防落梁与减隔震效果。

2．2支座原理

在DNQZ支座正常使用过程中，主要会利用限位装置传递水平力。DNQZ支座在弹性工作期间，能够满足收缩徐变、温度、动力等相关荷载作用所引发的常规位移。在E1地震状态下，支座本体以及限位装置都保持弹塑性工作，即便在极限情况发生的时候，限位装置也只会出现非常微小的变形，不会对支座正常使用产生影响。如果水平方向的位移和支座设计位移无限接近，此时限位装置会发生作用，使支座在滑动方向当中限位，而固定支座和活动支座会同步承担水平荷载力，使固定支座减小受力。在E2地震状态下，支座本体保持弹性工作，此时运动方向所布置的限位装置会处于被剪断状态，同时非线性阻尼保持工作状态，同步出现较大塑性变形，不过没有完全断裂，基于不间断的位移摩擦以及阻尼对地震能量加以耗散［4］。支座对有限位移加以锁定，在缓解地震反应基础上，能够预防上部落梁，保证桥梁交通在大震情况下不中断。综合来看，DNQZ支座呈现突出的分级耗能、逐级设防、协同抗震、位移锁定等优势。

3桥梁工程抗震设计中弹塑性钢减隔震支座的实施分析

3．1分析模型

对桥梁工程抗震设计当中的DNQZ支座实时分析，主要方法包括功率谱法、动力时程法以及反应谱法等。此次研究当中，为分析DNQZ支座具体减隔震性能，选用的方法为非线性动力时程分析法。通过有限元分析软件针对全桥建立相关有限元模型，并通过三维梁单元对桩基、桥墩以及主梁进行模拟。梁单元附加质量选择横隔板荷载以及二期恒载，桩底保持固结，并通过土弹簧刚度对桩土作用加以模拟。主梁和桥塔保持固结，进而通过多线段塑性随动强化模型对桥梁支座加以模拟，保证桥墩与桥梁之间紧密连接。分析过程中，设置为E2地震状态，同步对DNQZ支座桥梁以及未设置减隔震的支座桥梁实现动力时程分析。

3．2分析结果

3．2．1比较结构自振周期分析中，分别对DNQZ支座与非减隔震支座在实际应用中，桥梁结构前十阶的自振周期以及阵型进行对比。经对比分析，发现相较于非减隔震支座，DNQZ支座可以使结构保持更长的自振周期，并且在自振周期当中，第1阶延长了67％，第2阶延长了118％，到了第3阶延长达到214％，就前三节来说，其自振周期延长均值达到133％。另外，从阵型角度分析，通过DNQZ支座的实施应用，能对桥梁结构具体变形状态加以优化，尤其能够优化桥塔变形情况。3．2．2对比结构内力在对实施应用DNQZ支座以及非减隔震支座的桥梁进行结构内力比较过程中，分别对12号墩、13号墩、14号墩、15号墩重要部位横桥向和顺桥向相应剪力与弯矩结果加以提取，相应结果如表1、表2所示，承台底弯矩以及剪力方面对比结果如图2、图3所示。结合相关结果，可发现和应用非减隔震支座的桥梁相比，应用实施DNQZ支座的桥梁，其墩底在横桥向与顺桥向的弯矩都各自缩减了83％、40％，同时墩底横桥向、顺桥向相应剪力各自缩减了70％、39％。另外，承台底的横桥向与顺桥向弯矩各自缩减了74％、39％，且承台底的横桥向、顺桥向相应剪力各自缩减了60％、34％。对于桥梁横桥向以及顺桥向实施应用DNQZ支座，承台底以及墩底相应剪力与弯矩都和应用非减隔震支座的桥梁相比保持着更加均匀的分布状态。

4结语

综上所述，DNQZ支座在对常规球型支座实现了本体改进之后，体现了多级设防，并且将减隔震组合相关装置创新地融于支座当中，将弹塑性钢耗能以及球型钢支座所具备的优点充分结合，可使支座具有更高抗震能力。在DNQZ支座实施应用之后，结构自振周期显著延长，并能明显地降低桥墩所承受剪力以及弯矩，桥墩在横桥向以及顺桥向均保持着更均匀的地震承受能力，可在全桥范围内达到协同抗震目的。

参考文献

［1］顾海龙，王勇．速度锁定型减隔震支座设计与性能分析［J］．铁道建筑，2019，59（3）：18－21，34．

［2］魏标，刘义伟，蒋丽忠，等．地震作用下双曲面球型减隔震支座在铁路简支梁桥中的动力行为［J］．土木工程学报，2019，52（6）：110－118．

［3］张常勇，徐润，王鑫，等．滑动摩擦效应对大跨径多跨连续梁桥地震响应的影响研究［J］．公路，2018（1）：64－69．

［4］庄严．双曲面球型减隔震支座在城市轨道交通桥梁中的应用［J］．铁道建筑，2018，58（6）：47－52．

作者:徐容 单位:广西交通设计集团有限公司