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129NO.5/OCTOBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 基于摩擦摆支座和钢阻尼器的大跨度预应力连续梁桥支座抗震应用分析刘俊旺（天津高速公路集团有限公司，天津 300000）摘要：对于宽细比较小的大跨度预应力混凝土连续梁桥结构体系，地震荷载产生的反复性对其结构影响较为复杂。以摩擦摆支座和钢阻尼器为主要思路，以滨海地区某大跨度预应力混凝土连续梁桥减隔震支座为研究对象，采用有限元理论，进行静力与动力分析。研究结果表明：对于大跨度预应力混凝土连续梁，采用摩擦摆支座（包括限滑动螺栓）降低地震响应的减隔震设计方法为抗震设计的最佳选择。摩擦摆支座利用滑动面和滑块之间的摩擦力达到损耗地震能量的效果，同时滑动面本身具有自动复位功能，可以限制支座位移。关键词：大跨度预应力连续梁桥；摩擦摆支座；结构抗震中图分类号：U443.36 文献标识码：A 文章编号：1673-8098（2023）05-0129-030 引言随着我国基础设施的不断完善，公路改扩建工程如火如荼，其中，大跨径混凝土连续箱梁抗震技术得到广泛应用。在此过程中，减隔震技术和被动控制技术以及主动控制技术、混合控制技术等都在不断地提升、完善。相关理论依据显示1，串联体系如果搭配加权体系并达到最优效果，可以有效提升桥梁的抗震效果。吴文朋等2曾通过易损性分析来研究桥梁参数对于桥梁结构抗震程度是否呈正相关，结果显示，初始桥梁刚度和桥梁系统的抗震性呈现正相关。刘钊等3通过 IDA 方法，评估证明减隔震支座体系的桥墩损坏率比普通降低 50%。摩擦摆支座具有自身的特性，即它的圆弧滑动面可以自动复位。这一特性不仅可以极大程度地降低隔震支座的位移，让它在震后迅速复原。本研究以滨海地区某高速公路跨河大跨径连续梁为研究对象，对 JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座和钢阻尼器抗震进行分析，评估减隔震支座力学性能，同时建立有限元模型，对摩擦摆支座在今后的应用提出了建议。1 基于摩擦摆支座和 E 型钢阻尼器的桥梁抗震性能分析某跨河大桥为 3 跨变截面预应力混凝土连续箱梁，桥型布置为(100+160+100)m，采用左、右两幅的分离式双线桥设计，左、右线均采用单箱单室变截面连续箱梁。箱梁底宽为 6.25m，中间支点处梁高 9.5m，跨中处梁高 3.5m，梁底曲线采用 1.8 次抛物线。跨支点处梁高 9.5m（与跨径的比值为 1/16.84），跨中梁高 3.5m（与跨径的比值为 1/45.71），梁高按 1.8 次抛物线变化。主桥下部主墩采用 12.455m 的圆端形实体墩，基础为 241.8m 钢筋混凝土钻孔群桩。边墩为 9.853.6m 的圆端形实体墩，基础为 81.5m 钢筋混凝土钻孔群桩。根据中国地震动参数区划图，本段工程场地地震基本烈度为 7 度，地震动峰值加速度为 0.15g。桥梁抗震设防分类为 B 类，按 8 度采取抗震设防措施。以采用必要的措施使其能够在地震作用下具有良好的减隔震效果为目的，对摩擦摆支座、E 型钢阻尼器对大跨径混凝土连续箱梁的影响进行研究、实际验证及测试。1.1 JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座设计1.1.1 根据该桥特点，采用摩擦摆支座与 E 型钢阻尼器相结合的减隔震设计。主要参数如表 1 所示。表 1 摩擦摆支座与 E 型钢阻尼器相结合的减隔震设计参数W 恒载（kN）Fy（kN）支座摆动刚度（kN）5195010391298880201602005130 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 摩擦摆支座的曲率半径 R=4.0m 时，摩擦摆系统的隔震周期为：。支座摆动时，大桥主桥体系的周期为：T（T12 T2）1/2 4.17s，约为隔震前结构自振周期（1.29s）的 3.2 倍。1.1.2 E 型钢阻尼器设计技术参数为：固定墩上安装 4 个 E型钢阻尼器将主墩与主梁进行连接，阻尼器型号为 125t，位移量为 350mm。1.2 结构分析内容及模型本次分析目的是检验 E1 地震作用下桥梁、墩身、JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座是否处在弹性范围，得出支座限位力；检验 E2 地震作用下 JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座减隔震效果，以及桥梁、墩身受力情况，得出摩擦摆支座位移量。具体的做法是：选用合适的地震波（E1：50 年 63%概率；E2：50 年 2%概率）进行时程分析。在 E1 工况下，JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座处于弹性状态，因此结构模型按常规结构计算，支座采用普通连接单元模拟；通过计算得出墩顶剪力作为支座的限位力。在 E2 工况下，JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座的限位装置被剪断，结构模型采用摩擦摆单元模拟；计算摩擦摆在地震作用下的滞回位移，得出支座设计位移量。桥梁箱型梁体被划分为若干个梁单元，桥墩被划分为 10 个梁单元，桥梁有限元模型如图 1 所示。主梁采用 beam 单元，截面采用其变截面；支座布置 E1、E2 设置不同，详见后面介绍。在计算中，以设计单位提供梁及墩图纸进行建模，以二期恒载作为质量附属于所建模型的节点上；在建立质量矩阵时直接将其荷载转化成质量。在地震响应分析中，桩基刚度按照承台底固结处理。图 1 桥梁有限元模型表 2 横向地震各墩受力情况（单位：kN、m）工况L34L35L36L37墩顶剪力墩底弯矩墩顶剪力墩底弯矩墩顶剪力墩底弯矩墩顶剪力墩底弯矩Bol1Max12824588175732070577496250844126446773Bol1Min-1150-44052-7847-194886-7751-266643-1114-45411Bol2Max13054923872992139557269333686126949947Bol2Min-1593-47620-10098-257458-10188-287811-1556-48396Bol3Max13684524683742172278187272918132446456Bol3Min-1279-46009-8205-197306-8037-258822-1261-469621.3 抗震分析结果考虑了纵向地震和横向地震，地震波采用的是 50 年概率63%。E1 纵向地震线性时程分析：该工况下，地震加速度峰值PGA=0.57m/s2，约为 0.058g，地震力很小，因此桥梁、桥墩、桩基、摩擦摆支座仍然处在线性状态；桥梁纵向地震力仅由固定墩承担，其余墩仅承担自身惯性力。通过计算边墩摩擦摆支座纵向地震力下位移量，三条地震波分别为：282mm、323mm、277mm；支座最大水平为 684kN，还不足支座吨位的 10%。表 2 仅给出 E2 横向地震时各墩受力，各墩受力均比较小，中墩最大墩顶剪力仅为 10188kN。通过计算横向地震摩擦摆支座需要的位移量为 340mm。根 据 公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范（JTG/T 2231-012020）的要求建立有限元模型，然后分别计算 E1 工况地震响应及 E2 工况地震响应，得到以下结论：（1）E1 工况下依靠 JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座的限位装置抵抗地震力不可行，因为固定墩 E1 地震下纵向力高达20185kN，超出墩身、桩基承载能力。故摩擦摆支座限位力为支座吨位的 10%，可以满足汽车制动力、温度等常规荷载。（2）E2 工况下，JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座发挥减隔震作用，减小桥墩的最大弯矩及墩底的剪力，墩顶水平力、墩底弯矩受力很小，减隔震效果理想。（3）通过计算，在固定墩上设置 4 个 125t E 型钢阻尼器，摩擦摆支座纵向位移需要 315mm。横桥向没有设置 E 型钢阻尼器，横向位移需要 340mm，纵向位移小于横向位移，是因为设置在固定墩的 E 型钢阻尼器发挥了作用。（4）JZQZ 摩擦摆锤式减隔震球型支座利用球面提供回复力，使地震后桥梁自动复位。2 摩擦摆减隔震支座力学性能分析支座的竖向设计承载力分 2 级：15000kN、70000kN，以70000KN 为例，对支座主要零件关键部位的设计进行计算，其131NO.5/OCTOBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 中一部分结果如下。2.1 耐磨板、球面耐磨板参数计算（1）耐磨板直径d：本支座取 1540mm，满足设计要求。（2）耐磨板的厚度 h：按标准要求 h 取 7mm。2.2 球冠衬板的参数计算（1）球冠衬板的转动曲率半径 SR：依据国外球型支座的经验取值：1.2d SR 2.8d，1.21400 SR 2.81400，1680 SR 3920，本支座取 1830mm，满足设计要求。（2）球冠衬板的隔震曲率半径SR1：按设计要求SR1取4m。（3）球冠衬板外圆直径 dc：dc=2SR+d=218300.02+1400=1436.6，本支座取1780mm，满足设计要求。2.3 剪断装置中销钉的参数计算本支座取 30mm，满足设计要求。2.4 摩擦摆减隔震结构的水平刚度计算满足设计要求。2.5 混凝土局部承压应力检算满足设计要求。结果显示，大桥用 15000kN 和 70000kN 的摩擦摆支座各项参数设计，经过检算后均能满足性能指标要求，结构设计合理，性能稳定，符合有关标准的规定。3 摩擦摆减隔震支座有限元分析3.1 有限元模型本分析以 70000kN 支座为例，校核 70000kN 摩擦摆减隔震球型支座强度是否满足设计要求。为了精准模拟支座弹性支撑边界，支座上下两面建立了 60mm 厚的混凝土块，荷载（70000kN）施加在上混凝土块的上表面上；约束下混凝土下表面垂直方向位移并固定其中心点，并在对称面处施加对称边界。本模型是微量相对滑动，所以部件间的接触都设置成不分离。3.2 计算结果（1）整体受力状态：整体应力较大的区域分布在上支座板的外侧及下支座板的中心区域，最大应力为 94MPa，整体结构在竖向力下的位移为 0.36mm。（2）上支座板受力：上支座板等效应力在环耐磨板区域出现最大值，最大值为 94MPa，从环耐磨板区域向两边逐渐递减。（3）耐磨板受力：耐磨板等效应力分布图如图 2 所示。图 2 耐磨板等效应力云图（4）球冠衬板受力：球冠衬板中心区域受力均匀，最大等效应力为 58MPa。（5）下支座板受力：下支座板等效应力在中心区域出现最大值，最大值为 76.3MPa，从中心区域向两边逐渐递减，具体如图 3。图 3 下支座板等效应力云图（下转第 140 页）140 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 3.5 道路养护现场路面垫层施工结束之后，应做好道路养护管理，以确保垫层的质量合格。养护作业中，根据成型的效果，加强洒水、温控管理，及时调整洒水量与频率，防止由于干缩而引发的裂缝问题。洒水保持均匀性，不能直接进行大面积的洒水处理，且要评估现场的排水功能。在路面垫层成型之后，使用遮光布铺设到路面表层，隔绝阳光直射，避免发生暴晒的情况。养护作业中落实交通管制，无关车辆不能进入，以免损坏垫层结构4。4 质量控制管理4.1 控制工程施工顺序在项目正式施工前制定合理的施工方案，明确施工顺序，满足现场施工要求。施工顺序遵循工程方案进行，合理地缩短施工作业进程，组织专业人员对各个环节进行管控，并且了解项目注意事项和质量标准。对于垫层施工来说，容易受到外界环境的影响，需要定期进行质量检查。4.2 提高碾压施工质量严格控制碾压阶段，每项技术参数都要处于管控范围内，如果发现和设计方案存在偏差，应立即做出调整。每个阶段都由专人进行质量管控，保障项目施工质量符合要求。通过注意材料的质量控制，将一些不符合要求的残次品剔除，做到对材料防水性能的把关，能够尽可能避免路面结构出现渗水的情况，也可以避免垫层结构出现塌陷等质量问题。在工程建设前期，要检查确认材料没有问题之后才能够投入使用，同时为了能够使得垫层结构更具稳定性，必须要设置专业的监管部门，进行施工建设过程的监督管控，达到保障路面结构防水性和稳固性的目的。这也可以显著提高整个公路工程的建设质量，使得路面垫层施工质量的有效性得到保障，也能够让后续的工程建设得以顺利施行。在竣工环节也可以通过加强验收，确保垫层施工技术的整体构建效果，避免出现质量缺损而影响到后续的工程建设过程。5 结语综上所述，在高速公路路面垫层施工中，需要加强现场施工管理，提高垫层结构的质量，满足工程的运行标准。与此同时，全面落实质量监督管控措施，发挥出垫层结构的优势，符合高速公路通行标准，延长道路的使用寿命。参考文献1 张颖.公路施工中路面垫层施工技术的控制措施研究 J.交通世界，2019（18）：64-65.2 卢立显.公路路面基层和垫层施工技术要点 J.交通世界，2019（Z1）：96-97.3 董洪波，杨菊.公路施工中路面垫层施工技术管理的思考 J.建材与装饰，2018（27）：245-246.4 马学勤.高速公路路面级配碎石垫层施工技术研究 J.河南科技，2016（24）：39-41.通过以上的分析结果可见：70000kN 摩擦摆减隔震球型支座各部件受力状况良好，结构设计合理，满足设计要求，符合有关标准规定。4 结论本研究成果可以广泛应用于同类桥梁设计施工中，并因其易于推广、应用范围广阔而具有良好的社会和经济效益。目前国内外对摩擦摆支座的研究取得了不菲的成果，然而该工作仍然有很多问题亟待解决，比如实际工作中具体的压力、温度都会对数据造成影响，技术应用及创新仍任重道远。参考文献1 X H LONG，J Fan，FF Nie，et al.Seismic Fragility Based Optimum Design of LBR for Isolated Continuous Girder BridgeJ.International Journal of Structural and Civil Engineering Research,2015,4(3):231-236.2 吴文朋，李立峰，王连华，等.基于 IDA 的高墩大跨径桥梁地震易损性分析 J.地震工程与工程振动，2012，32（3）：117-123.3 刘钊，钱凌枫，王序.基于易损性分析的大跨径连续钢桥减隔震措施评估 J.公路，2022，67（10）：156-163.（上接第 131 页）