矮墩预应力混凝土连续梁桥减隔震体系分析
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摘要：以盈港路油墩港大桥为实际工程背景，研究不同减隔震体系对矮墩变截面预应力混凝土连续箱梁地震响应的影响. 利用动力非线性时程分析方法，对采用拉索减震支座和金属阻尼器的减隔震体系分别进行分析比较. 研究结果表明：拉索减震支座和金属阻尼器均可以提高结构的抗震性能，在多遇地震下，采用拉索减震体系的结构中产生的内力效应低于金属阻尼器减隔震体系，在罕遇地震下，由于拉索的限位作用，采用拉索减震体系的结构中产生的内力效应会高于金属阻尼器减隔震体系.
关键词：桥梁工程；预应力混凝土连续梁桥；减隔震体系；减震拉索支座；金属阻尼器；非线性动力时程分析；
中图分类号：TU997文献标识码： A
Analysis on Seismic Isolation System for Prestressed Concrete Continuous Girder Bridge with Short Pier
ZHANG Chen-nan
（Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd. Shanghai 200092）
Abstract：The present study examines the seismic behavior of aprestressed concrete continuous bridge with various isolation and dissipation deveice through non-linear dynamic time-history analysis. Cable-sliding friction aseismic bearings and steel hysteretic dampers are compared in the analysis. The analysis result indicates that both of the two devices can improve the seismic performance of the bridge. The internal force effect of cable-sliding friction aseismic bearing system is lower than that of the steel hysteretic damper system under frequent earthquake, while it will be higher than that of steel hysteretic damper system under rare earthquake due to the restraint of the cable.
keyword：bridge engineering; prestressed concrete continuous girder bridge; seismic isolation system; cable-sliding friction aseismic bearing; steel hysteretic damper; non-linear dynamic time-history analysis;
0引言
预应力混凝土变截面连续梁桥是在70～100m跨径桥梁中应用最为广泛的桥梁形式，这种结构的桥梁由于墩顶支点梁高较高，一般为主跨跨径的1/16左右，主墩的高度一般来说相对较矮. 由于桥墩墩顶质量相对较大，在地震作用下，虽然结构的纵、横向水平振动周期较长，在墩顶固定支座处仍会产生较大的惯性力，造成桥墩的剪切破坏或支座的剪断. 如果按照强度设计理论一味增大结构的尺寸和配筋则会造成材料的浪费，而且由于结构的地震响应与结构质量刚度密切相关的特点，在很多情况下往往会适得其反. 如何提高这类桥梁结构的抗震性能一直是工程人员研究的重点. 近年来，通过引入减震、隔震装置来提高桥梁结构的抗震性能正成为应用的热点[1].
减隔震体系通过设置减隔震装置提高结构的抗震性能，常用的减隔震装置主要有整体型减隔震装置与分离型减隔震装置[2, 3]. 本文以为盈港路油墩港大桥为工程背景，对整体型拉索减震支座与分离型橡胶支座+金属阻尼器在矮墩预应力混凝土连续箱梁的减隔震体系中的应用进行比较分析，以期为类似工程应用提供参考.
1工程背景
盈港路规划为贯穿上海市青浦区的东西向客运走廊，连接新城－北部工业园区－赵巷镇－徐泾镇，油墩港大桥为汇金路~山周公路段跨越Ⅳ级航道油墩港的一座大桥. 主桥采用跨径布置为60m+94m+60m=214m的变截面现浇连续箱梁，按上下行双幅布置，每幅箱梁顶板宽20.5m. 由于景观造型需要，本桥则将边跨边墩处梁高增加，边跨梁底亦设计成完整弧线，与中跨外形统一，整个三孔梁底都为完整的弧线，更富韵律感. 其中跨中梁高2.2m，中支点梁高5.5m，端支点梁高3.6m. 主桥主墩和边墩均采用圆端形与矩形组合墙式墩，截面尺寸为12.5m×3.2m， 墩高4.9m～5.2m，主墩基础采用40根D120cm钻孔灌注桩基础，边墩采用28根D120cm钻孔灌注桩。大桥总体布置图如图1所示。
图1 油墩港大桥总体布置
油墩港大桥的抗震设防烈度为7度，水平向基本地震动加速度峰值为0.1，采用两水平设防，两阶段设计的抗震设计思路. E1地震的重现期为100年，结构不受损坏，E2地震的重现期为2450年，结构可发生轻微损坏，不需修复或经简单修复后可继续使用. 由于本桥上部结构质量很大，在地震作用下将产生较大的惯性力，而桥梁主墩、边墩的高宽比远小于2.5，在地震作用下，桥墩的主要破坏模式为剪切破坏，桥墩内不会出现塑性铰，因此无法采用延性抗震设计，必须对结构进行减隔震设计.
2地震响应分析
2.1减隔震装置的选择
常用的减隔震装置可分为整体性和分离型两类，其中整体型减隔震装置主要包括：铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆隔震支座和拉索减震支座；分离型减隔震装置主要为普通盆式橡胶支座与金属阻尼器、粘滞性阻尼器组合而成。其中，对于整体型减震装置中的铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座，其承载力一般较小，不适用于较大跨径的连续梁桥，摩擦摆隔震支座则在地震作用下会造成桥梁发生“抬升”现象，而且震后不易复位；对于分离型减隔震装置中的粘滞性阻尼器来说，其主要用在漂浮体系或半漂浮体系中，只有当梁体与桥墩之间可能发生较大的相对位移和相对运动速度时才能起到有效耗能作用，而连续梁桥在满足结构正常使用的要求下一般需要设置纵向固定支座，桥墩与梁体之间不会发生较大的相对位移和相对运动速度。因此，本文的分析中选择拉索减震支座和普通盆式橡胶支座+金属阻尼器两种减隔震体系进行分析.
拉索减震支座[4]是一种依靠摩擦有效地消耗地震发生时地震波对桥梁结构所产生的作用能量和利用钢绞线拉索限制墩梁过大相对位移的减震支座，如图2所示。以固定型拉索减震支座为例，拉索减震支座的优点在于：由于采用了抗剪螺栓和拉索，使支座在正常使用时表现为固定支座的结构形式，此时拉索不起作用，在地震发生时，当支座传递的水平力大于抗剪螺栓的剪切强度时，抗剪螺栓在剪切口位置处发生断裂，一方面消耗部分地震能量而保护上部结构，另一方面使支座由固定支座变为活动支座，增大结构振动周期，从而减小梁体传递给桥墩的水平惯性力。当支座上、下座板位移超过一定程度时，拉索起到缓冲限位作用，并保证震后上、下座板可以可靠复位。滑动型拉索减震支座与固定性拉索减震支座相比，结构上不设置抗剪螺栓，因此在正常使用时表现为滑动支座形式，此时拉索同样不发挥作用，在地震中与固定性拉索减震支座类似，只有当上、下底板位移超过一定限度时拉索起到缓冲限位作用，并保证震后上、下钢板可靠复位。