双曲面球型减隔震支座在桥梁抗震设计中的应用

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摘要：首先比较了大跨径桥梁通常采用的几种减隔震措施，然后详细介绍了双曲面球型减隔震支座的构造和抗震原理，最后通过工程实例的抗震分析，证明双曲面球型减隔震支座非常适合大跨径桥梁的抗震设计。

关键词：大跨径桥梁双曲面球型减隔震支座减隔震设计

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

近年来，我国交通建设事业的发展取得了巨大的成就，大跨径连续梁桥、连续刚构因其受力简单合理、整体性好、耐久性好、行车舒适、造价经济等优点，在公路桥梁建设中得到了广泛的应用。但是我国是一个强震多发的国家，地震烈度等于或大于7度的地区占国土总面积的1/3，突发的强烈地震会使建设成果毁于一旦，这就要求我们必须重视桥梁设计的抗震减灾工作。

大跨径连续刚构由于采用墩梁固结的结构形式，顺桥向、横桥向整体刚度大，地震作用时上下部结构产生地震力主要通过下部结构“硬抗”，因此下部结构必须具有较高的强度，故造成了桥梁造价的大幅增加。

大跨径连续梁桥目前有几种常用的抗震措施。通常采用的是在少数几个桥墩的上方布置固定支座（所谓的抗震支座），其余桥墩上布置滑动支座的方法。在顺桥向地震作用下，布置滑动支座的桥墩几乎不承受上部地震力，全联上部主梁的地震力几乎全部由固定支座墩承受；若固定支座被剪坏，桥梁顺桥向失去约束，极易造成落梁；若固定支座桥墩被剪坏，则会产生全联倒塌的严重破坏。二是设置减隔震支座来改善结构的抗震性能。这些支座具有高阻尼、高耗能、低刚度、大变形、耐腐蚀等特性，能够保证正常的支承竖向荷载、温度变形、收缩徐变变形的要求，在地震作用下，可以耗散地震能量，减小上部结构的惯性力，从而保护主体结构不出现损伤。由于支座是附属结构，更换方便，因此减隔震设计是最为经济、有效的抗震设计方法。

国内外桥梁上使用的减隔震支座主要包括高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、双曲面球型减隔震支座。双曲面球型减隔震支座与其它两种支座相比，具有承载力大、构造简单、耐久性好，并能提供可靠回复力的优点，因而成为结构减隔震设计的首选。本文首先介绍了双曲面球型减隔震支座的构造特点和抗震机理，然后通过对一个工程实例的抗震分析，比较了刚构体系和采用双曲面球型减隔震支座的连续梁体系的抗震结果，证明了使用双曲面球型减隔震支座的优越性。

1双曲面球型减隔震支座构造

双曲面球型减隔震支座包括一个具有滑动凹曲面的上支座钢板、一个具有双凸球面的中支座钢板和一个具有转动凹球面的下支座钢板（见图1）。滑动面和转动面都是由不锈钢和聚四氟乙烯板组成。通过钢板间的滑动和转动，满足正常使用时支承竖向荷载、温度变形、收缩徐变变形的要求。

图1 双曲面球型减隔震支座的构造示意图

2双曲面球型减隔震支座抗震原理

双曲面球型减隔震支座发生位移时，上部结构自重沿滑动曲面的切线方向产生的分力提供回复力，帮助上部结构回到原来的位置。同时钢板间存在滑动摩擦力，支座的侧向力等于回复力与摩擦力之和：

式中：W为上部结构的竖向反力，D为支座的水平位移，H为滑动球面与转动球面之间的球面距，为滑动球面的摩擦系数。支座屈服后的刚度即克服最大静摩擦力滑动后的刚度为：

假定原结构采用固定支座，其第一自振周期为，使用双曲面减隔震支座替换固定支座后，结构体系的第一自振周期为：

可见，减隔震体系的第一自振周期主要与双曲面支座的球心距H和原结构的第一自振周期有关，通过增加球心距，总可以有效的延长减隔震结构的基本周期，从而达到减隔震的效果。

图2 双曲面球型减隔震支座的侧向滞回曲线

双曲面球型减隔震支座的等效阻尼比：

式中，为支座的设计位移。可见，对于相同的支座设计位移，支座等效阻尼比随着球心距和滑动摩擦系数的增加而增加。在结构需要的设计位移下，通过改变支座的球心距和滑动摩擦系数，总能得到相应的阻尼比来满足不同的减隔震设计要求。

3工程实例

本节以一大型9跨梁桥的减隔震设计为例，比较墩梁固结体系和采用双曲面球型减隔震体系的地震效应。原结构为67+7x120+67m刚构-连续梁体系，桥宽13.25m，墩高17.4~20.7米，中间两个桥墩为墩梁固结，其余桥墩布置滑动支座。减隔震设计中每个桥墩均布置2个双曲面球型减隔震支座，支座球心距取5米，滑动摩擦系数取0.04，单个支座的恒载反力为26。

采用SAP2000程序对结构进行非线性时程地震反应分析，采用钢筋混凝土梁单元模拟主梁和桥墩，采用连接单元模拟支座，采用摩擦隔震器单元模拟双曲面球型减隔震支座，支座屈服后刚度为5.2。两种体系的地震反应见表1~2。

由表1~2可见，双曲面球型减隔震体系与刚构-连续梁体系相比，地震作用下，结构振动第一周期增大了1倍多，增大后的周期处于反应谱曲线的下降阶段，结构产生的地震响应显著减小。纵桥向地震作用下，墩底、承台底及桩身的剪力、弯矩减小了50%~60%；横桥向地震作用下，墩底及承台底的弯矩减小了约80%，墩底的剪力减小了约70%，承台底的剪力、桩身的剪力及弯矩减小了约50%。可见，双曲面球型减隔震支座对于减小大跨梁桥的地震响应、保护结构安全、降低工程造价都有非常好的效果。

表1 地震反应结果对比表（纵桥向地震）

表2地震反应结果对比表（横桥向地震）

4结论

双曲面球型减隔震支座可以提供帮助上部结构回到初始位置的回复力，可以有效延长减隔震结构的自震周期，并能提供稳定可靠的阻尼耗能。算例证明，双曲面球型减隔震支座可以将大跨径梁桥的固结墩的剪力及弯矩减小很多，对于减小地震响应、保护结构安全、降低工程造价都有非常显著的效果。因此双曲面球型减隔震支座具有理想的减隔震能力，非常适合大跨径桥梁的抗震设计要求。

参考文献：

范立础 . 大跨度桥梁抗震设计[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

范立础. 桥梁减隔震设计[M]. 北京：人民交通出版社，2001.