拉索减震支座及桥梁抗震设计应用研究-工程 力学 7页

第卷第期Vol.No.工程力学年月ENGINEERINGMECHANICS文章编号：19-057拉索减震支座及桥梁抗震设计应用研究1*112袁万城,韦正华,曹新建,荣肇骏（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.江苏万宝桥梁构件有限公司，江苏常熟215551）摘要：首先对国内外使用较广泛的减隔震装置进行了评述，并在此基础上介绍了一种新型减隔震支座——拉索减震支座(通过在盆式支座上增设限位拉索而成)及其设计要点，并通过支座的拟静力试验测定了不同竖向力工况下支座滞回曲线以及不锈钢板与聚四氟乙烯滑板之间的摩擦系数等。最后通过建立一座四跨连续组合箱梁桥有限元模型，并考虑不同场地条件的影响，对拉索减震支座的减震效果进行了分析。计算结果表明，拉索减震支座能有效减小桥梁结构地震响应，且对不同场地条件具有很好的适应性。关键词：减隔震装置；拉索减震支座；拟静力试验；滞回曲线；恢复力模型中图分类号：TU448文献标识码：ACable-SlidingFrictionAseismicBearingandItsApplicationinBridgeSeismicDesign1*112YUANWancheng,WEIZhenghua,CAOXinjian,RongZhaojun(1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China；2.JiangsuWanbaoBridgeComponentCo.,Ltd.,Changshu215551,China)Abstract:Aseismicdevicesthatarewidelyusedrecentlyareevaluatedfirstly,thenanewclassofaseismicbearing—cable-slidingfrictionaseismicbearing(CSFAB)whichcombinesordinarypotrubberbearingwithelasticcabledevicelocatedbetweentheupperdeckandthelowerpiersaswellasitsdesigncharacteristicsareintroduceddetailedly.ThenthehystereticbehaviorsandfrictioncoefficientbetweenstainlesssteelplateandPTEEplateunderdifferentverticalloadsweretested.Finally,afiniteelementmodeloffour-spancontinuouscompositebox-girderbridgeisestablishedtoanalyzetheseismicbehaviorsofthebridge,takingintoaccountofdifferentsiteconditions.AndtheresultsshowthatCSFABcandecreasetheseismicresponsesofbridgeswithdifferentsiteconditions.Keywords:seismicisolationdevices;cable-slidingfrictionaseismicbearing;pseudo-staticexperiment；hysteresiscurve;restoringforcemodel过去三十年来，桥梁结构的减隔震技术研究发1引言展迅速，但很大程度上关注的是开发出能可靠、有[1]效控制结构动力响应的新型减隔震装置。自1973收稿日期：2010-04-20；修改日期：2010-12-28基金项目：国家自然科学基金资助项目（50778131），国家自然科学基金资助项目（50978194）,国家自然科学基金资助项目（90915011）。作者简介：袁万城（1962-），男，江西人，教授，博士生导师，从事桥梁结构振动与抗震研究(Email：yuan@tongji.edu.cn)*韦正华（1985-），男，安徽人，在读硕士研究生，从事桥梁结构振动与抗震研究(Email：wzhyicheng@gmail.com)曹新建(1978-),男，江苏人，博士，从事桥梁结构振动与抗震研究(Email:cxj_nj@163.com)荣肇骏(1948-),男，江苏人，高级工程师，总工程师，从事桥梁支座及伸缩装置的研制(Email:rongzhaojun@163.com)1 [6][7]年新西兰第一次将减隔震技术用于MotoBridge大；梁端转动灵活；上支座板的不锈钢板与(采用滑动支承抗震，阻尼由U型钢弯曲梁提供)的聚四氟乙烯板间的摩擦系数小，水平滑移能力强[8]建设实践以来，目前世界范围内已有大量桥梁的建等，而且由于拉索的使用成功克服了传统支座[2]设采用了减隔震措施，其中不少已经经历了地震限位能力不强的弱点，能最大程度避免地震中落的考验。这些减隔震措施包括采用各种钢质阻尼梁等现象的发生，并在地震后可靠复位。此外，器，如R.I.Skinner等提出的利用U形钢条滚卷变由于盆式支座与限位索装置已经在我国各类桥梁形、钢梁扭转变形以及钢悬臂梁弯曲变形耗能的阻减隔震设计中普遍采用，因此拉索减震支座制造[3]尼耗能器等，以及形式多样的减隔震支座，如叠技术成熟，相较于同类型产品造价也相对较低。层橡胶类支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆锤体系等。①③②④⑤⑨⑧⑥⑦⑩在以上的减隔震装置中，钢质阻尼器主要依靠装置本身的塑性变形消耗地震能量，但当塑性变形进入屈服阶段后，阻尼器的耗能能力大大降低；而减隔震支座通过自身的剪切变形延长结构周期、增①上支座板②不锈钢板③下支座板④四氟板⑤中间钢板⑥橡胶支承板⑦黄铜紧箍圈⑧抗剪螺栓⑨分离弹簧⑩拉索加结构阻尼，从而消耗地震能量，有效地减小结构[4]图1固定支座结构的地震反应。其中，叠层橡胶类支座在水平荷载作用下稳定性较差，仅适用于中小跨径桥梁；铅芯Fig.1ConfigurationoffixedCSFABF橡胶支座耗能能力强，但支座动力剪切性能受竖向K2承荷变化影响大，不能实现对多频特征的地震波进行有效的减震、隔震，且随着铅芯的增加，支座自Fs[2]恢复能力逐渐减弱；摩擦摆锤体系中的双曲面球K1[5]型钢支座复位能力强、摩擦耗能性能稳定,但在地uu0震力作用下，球面摩擦副沿曲面的滑动将导致梁端图2恢复力模型产生竖向位移，在超静定结构中会产生次内力，不利于上部结构的稳定。因此，本文旨在提出一种新Fig.2Restoringforcemodel在连续梁桥的固定墩设置拉索减震支座，在正型的减隔震支座——拉索减震支座，能够有效的克常使用荷载作用下，抗剪螺栓能够保证支座是固定服了上述减隔震装置的诸多缺点和不足。拉索减震的，此时水平荷载主要由固定墩承担；但在强震、支座是在普通盆式支座的基础上，结合目前国内普船撞等极端荷载作用下，当支座传递的水平荷载超遍采用的一种限位索装置而形成的，充分发挥了盆过某一量值，抗剪螺栓剪断，固定支座转变成滑动式支座及限位索各自的抗震优点，并最大程度上克支座，改变体系的传力特性，同时水平荷载分摊给服了两者单独使用时的缺陷和不足。一联的每一个桥墩，从而大大减小固定墩的受力。2拉索减震支座简介同时锚固于上、下座板的拉索在上、下座板间发生较大的相对位移时可以有效起到缓冲限位作用。2.2理想力学模型及参数设计2.1构造特点及工作原理支座理想侧向恢复力模型如图2所示，可以看拉索减震支座可以分为滑动支座和固定支成由盆式支座与拉索二者的恢复力模型叠加而成。座。固定支座主要由拉索（钢绞线、高强度钢丝当上、下座板之间的相对移位u≤u0时，盆式支座提束或碳纤维）、抗剪螺栓、上座板（包括顶板和不供恢复力，u＞u0时拉索限位。锈钢滑板）、聚四氟乙烯滑板、中间钢板、密封圈、图2中，K1为盆式支座的弹性刚度，K2为拉索拉橡胶板、底盆、地脚螺栓和防尘罩等组成。滑动伸刚度，u0为拉索开始发生作用时的支座移位（由支座是通过取消设置在双向滑动支座中心处的抗剪螺栓而成。固定支座结构示意图如下图1所示。设计给定），Fs为临界摩擦力：Fs=μ×N。式中，μ拉索减震支座具备了普通盆式支座的优点，为滑动摩擦系数，N为支座的竖向压力。拉索拉伸如在梁端传递的垂直荷载作用下，竖向承载能力2 刚度K2为：K2=EA/l。式中，E为拉索弹性模量，A合。图3（a）中滞回曲线摩擦耗能段有一定斜度，为拉索横截面面积，l为拉索长度。这是初始试验时支座摩擦面存在油漆、灰尘等原因引起的，而图3（b）及（c）中随着加载次数的增3拉索减震支座拟静力试验研究加，这些因素影响可以忽略不计，因此摩擦耗能段趋于平稳。这些缺陷都可以通过采取合理的改进措为了验证拉索减震支座的抗震性能，作者对施和提高安装精度予以避免。其进行了一系列拟静力试验研究，支座试样的设此外，我们可以很清楚的看到在三级竖向荷载计要求如下：①设计竖向承载力为5MN；②顺桥分别作用下，滞回曲线摩擦耗能段重合性较好，这向设计水平位移为100mm。试验工况如表1所示。主要是因为随着竖向力的增加，支座的摩擦系数有减小的趋势，使得摩擦耗能总体上趋于稳定。图3(d)表1试验工况中，支座移位在80mm～90mm区间内变化时，荷载变Table1Testcases化范围为-50～640kN，表明拉索限位作用十分明工况约束方式竖向力/kN最大水平位移/mm显。其它竖向力工况下情况与之类似。1滑动2000802滑动4000803滑动5000804固定50001003.1摩擦系数测定试验表2给出了试验各工况的支座摩擦系数试验值。从中可以看出，静、动摩擦系数均随竖向力的增加而减小，但工况4与工况3相比，摩擦系数明显增大，主要因为工况4中抗剪螺栓剪断后剪切面不平整对摩擦面造成的影响。图3(a)竖向控制力为2000kN时的滞回曲线Fig.3(a)Hystereticcurveunderverticalloadof2000kN表2摩擦系数表Table2Frictioncoefficient工况1工况2工况3工况4静摩擦系数0.0230.0120.0090.010动摩擦系数0.0130.0080.0070.0103.2抗剪螺栓剪切试验取竖向控制力为支座设计承载力5000kN，缓慢施加水平荷载，直至抗剪螺栓被剪断，测得此时水平力为607.83kN，比设计值500kN略高。实验结束图3(b)竖向控制力为4000kN时的滞回曲线后取出抗剪螺栓，观察发现抗剪螺栓在预定部位发Fig.3(b)Hystereticcurveunderverticalloadof4000kN生剪切破坏，与设计要求保持一致。3.3滞回性能试验试验各工况拉索减震支座的滞回曲线如图3所示，(a)～(d)分别对应于工况1～工况4。从图3中易见，可以将支座滞回曲线分为两段：摩擦耗能段和拉索限位段，主要以支座相对移位超过自由程、拉索发生作用为界点。这也与图2中支座理想恢复力模型保持一致。本次试验所得滞回曲线关于竖轴并不对称，这主要是由于拉索安装误差引起的，而在试验过程中图3(c)竖向控制力为5000kN时的滞回曲线支座一侧拉索也首先出现了断丝现象，两者情况吻Fig.3(c)Hystereticcurveunderverticalloadof5000kN3 主梁1#2#3#4#5#55m85m85m78m图4全桥计算模型Fig.4Calculationmodelofcasestudy在有限元分析模型中，盆式支座采用wen塑性[10]单元模拟，拉索采用多段线弹性连接单元模拟。图3(d)固定支座滞回曲线本文中，取拉索减震支座自由程为60mm，墩梁之间6Fig.3(d)Hystereticcurveoffixedbearing最大相对位移100mm，拉索刚度1.0×10kN/m。3.4试验结果总结本文所采用的地震波全部从加州大学伯克利根据支座试验所得数据分析表明，随着支座所分校网站上下载，考虑到拉索减震支座对场地条件受竖向力的逐步增加，支座摩擦系数有减小趋势，的适应性，针对美国规范中A、B、C、D四类场地土，摩擦耗能性能基本处于稳定（滞回曲线趋于平稳，分别随机选取3条地震波记录如表3所示，并将加速且各级竖向荷载作用下重复性较好），拉索在上顶度峰值统一调整为0.4g，阻尼比5%，地震波输入方板、下底板相对位移超过特定值后起到限位作用，式为竖向+水平向，竖向地震动加速度为相应水平支座滞回曲线有突变；试验所得滞回曲线形式与理向的地震动乘以调整系数。想恢复力模型保持一致，印证了理论推导的正确表3选取的地震波性。同济大学曹新建博士通过建立有限元模型，研Table3Selectedearthquakemotionrecords究了拉索减震支座的减震效果，结果表明拉索减震场地序支座滞回曲线计算数据与试验所得数据吻合较好，地震记录位置震级PGA/g类别号[9]拉索减震支座的有限元模拟是切实可行的。1989LOMAGilroyArray17.10.209PRIETA1#4应用算例A类21999CHI-CHIHWA7.30.10719923Amboy7.30.146LANDERS本文以杭州市九堡大桥北侧引桥为背景建立1979有限元分析模型，全桥孔跨布置为55m+2×85m+ElCentro4IMPERIAL6.50.157allay4#78m，墩高10m，上部结构为等截面连续组合箱梁VALLEY24B类(截面积为2.054m,顺桥向抗弯惯矩120.7m)，桥19925Coolwater7.30.4172LANDERS墩为箱形单墩(截面积为15.91m，顺桥向抗弯惯矩41989LOMAAnderson179.428m),不考虑桩土相互作用，桥墩底部固结。66.90.240PRIETADam为了验证拉索减震支座的减震效果，采用有限71999CHI-CHICHY0067.30.364元通用分析软件SAP2000，针对以下两种工况分别1979ElCentro建立有限元模型：8IMPERIAL6.50.537C类allay5#VALLEY工况①：支座的布置形式为中间3#墩采用固定1992YermoFire盆式支座，两侧桥墩均为活动盆式支座。但依据设97.30.152LANDERSStation计，在强震作用下，固定盆式支座的剪力销将被剪1979断，从而固定支座转变为活动支座；10IMPERIALAgrarias6.50.221工况②：支座的布置形式为中间3#墩采用固定VALLEYD类111999CHI-CHICHY0397.30.114拉索减震支座，两侧桥墩均为活动拉索减震支座。1989LOMARedwood但依据设计，在强震作用下，固定拉索减震支座的126.90.083PRIETACity剪力销将被剪断，从而固定支座转变为活动支座。采用拉索减震支座的全桥计算模型如下图4所示。4 在两种工况下模型时程分析计算结果分别如大。但当支座移位超过自由程位移时，工况②中拉表4～表6所示。索对梁体提供额外纵向约束刚度，使得工况②中梁从表4中可以看出，工况②情况下顺桥向最大体纵桥向约束较之工况①大大增加，因此梁端位移梁端位移相较工况①小，但最大墩顶位移相较工况较之工况①小，但与此同时传递到各墩顶的地震力①大。这是因为在强震输入下，两种工况固定支座也相应增大，导致墩顶位移的增大，但位移绝对值剪力销均被剪断，支座相应转变为滑动支座，从而仍处于较低水平。梁体纵桥向约束相应减小，导致墩梁相对位移增表4顺桥向最大位移（单位:mm）Table4Maximumdisplacementsalongthebridge123456789101112梁端13422827126311711528794114520394134工况①墩顶243241626855761519427936梁端0.50.40.40.40.50.50.40.50.40.40.40.4工况②墩顶561817105120314102816表5墩底弯矩值（单位:kN/m）Table5Momentforceatthebottomofpiers1#墩2#墩3#墩4#墩5#墩地震波工况①工况②工况①工况②工况①工况②工况①工况②工况①工况②1964048068959988192964167875964164518964158850269968440275159238978679613777289768177047214237613253308763026523976062829857635288074760727113048711233980867824054486202596238621275515856224105559285160661914015984692751519119287169914937016992768859311419156621159102822328980784508937325917835316848285331990048386180588853618273981561729248909251789909959889909556398909453722909454337988222035888855220397863322610285622347498708204032107988140866749115367877571676887535163218741611884111847640791183804236478426434909847545594588283864901268512164327130238349709124703269872555186768230703表6墩底剪力值（单位:kN）Table6Shearforceatthebottomofpiers1#墩2#墩3#墩4#墩5#墩地震波工况①工况②工况①工况②工况①工况②工况①工况②工况①工况②11544505515389085154470731544671815446127212718572127293841286977112719902127172683125426204125727416125329376125729739125428075414512404814642455814532658414532822814452464551552161921533160331553152511554170721563172266147131651526632915188390145080081494331871386173711428205261398186111421185201359178438141055831411641214106064141057751410583491489210281487227771467233791460242761475209611013341428712961571313021714412911666813011210711143642095142343690142944837142046952148039896121269223821269244831269253111269261641269236175 11号地震波作用时梁端位移减幅最大，且为bridge[J].Journalofvibrationandshock,1995,14(3):-91.9%。此外，从表4中可以看出，场地条件不同、53-56地震波输入不同时工况②情况下梁体位移均较工[4]郭磊,李建中,范立础.大跨度连续梁桥减隔震设计研况①减小许多，表明拉索减震支座对不同场地条件究[J].土木工程学报,2006,39(3):.81-85具有普遍的适应性。GuoLei,LiJianzhong,FanLichu.Researchon表5、表6所示分别为各地震波作用下两种工况seismicisolationdesignforlong-spancontinuous各墩墩底弯矩、剪力值。从两表中均可知，各墩在bridges[J].ChinaCivilengineeringJournal.2006,工况②下墩底受力较之工况①为大。这是由于在强39(3):81-85震作用下，两种工况中固定拉索减震支座剪力销均[5]彭天波,李建中,范立础.双曲面球型减隔震支座的开被剪断从而成为滑动支座，但是工况②中拉索提供发及应用[J].同济大学学报,2007,35(2).176-180梁体额外纵向约束，使得从上部梁体传递到下部结PengTianbo,LiJianzhong,FanLichu.构的地震力增加，导致墩底弯矩和剪力值增大。在DevelopmentandApplicationofDoubleSpherical实际的桥梁抗震设计中，应该在梁端位移的减小与AseismicBearing[J].JournalofTongjiUniversity.墩底地震力的增加之间进行最优组合设计。2007,35(2):176-180[6]王元清,陈慧婷等.大吨位压剪盆式橡胶支座及其连5结论接的原型试验研究[J].土木工程学报,2009,42(2):.80-85拉索减震支座将盆式橡胶支座与拉伸性能良WangYuanqing,ChenHuiting,etal.Experimentson好的拉索完美结合起来，充分发挥了各自的优点，large-tonnagecompression-shearpot-type并有效克服各自单独使用时的缺点和不足。elastomericpadbearingsandconnections[J].China（1）拉索减震支座拟静力试验表明随着支座CivilengineeringJournal,2009,42(2):80-85所受竖向力的增加，支座的摩擦系数有减小的趋[7]杨彦飞,王喜堂,陈文春.桥梁支座及其恢复力模型[J]势，两者互为消长，从而支座摩擦耗能能力总体趋广州建筑,36(6):11-15于稳定；拉索在支座移位超过自由程后限位作用十YangYan-fei,WangXitang,ChenWenchun.Bridge分明显；bearingsandrestoringforcemodel[J].Guangzhou（2）算例表明，新型拉索减震支座对不同场Architecture.36(6):11-15地条件具有很好的适应性，能够有效控制墩梁相对[8]王宏谋.桥梁盆式橡胶支座的研究与应用[D],成都:西位移，从而达到避免落梁、相邻梁体碰撞等震害发南交通大学硕士论文,2008生的抗震目的。WangHongmao.ResearchandApplicationofPotRubberBearing.[D].Chengdu:SouthwestJiaotong参考文献：Universitymasterdegreethesis,2008[9]曹新建.大型桥梁的抗震能力设计策略[D],上海:同济[1]AlaaM.Sharabash,BassemO.Andrawes.Applicationof大学博士论文,2009shapememoryalloydampersintheseismiccontrolofCaoXinjian.Designstrategyonaseismiccapacityofcable-stayedbridges[J].EngineeringStructures,largebridge[D],Shanghai:Ph.D.thesisofTongji2009:607-616University,2009[2]叶爱君.桥梁抗震[M].北京:人民交通出版社,2002[10]闫冬.戚春香.冯清海.SAP2000结构工程分析及实例详YeAijun.Seismicdesignofbridge[M].Beijing:China解[M].北京:中国建筑工业出版社,2009CommunicationPress,2002YanDong,QiChunxiang,FengQinghai.SAP2000[3]袁万城,范立础.桥梁新型减震橡胶支座减震耗能性能structuralengineeringanalysisandexamples研究[J].振动与冲击,1995,14(3):53-56explanation[M].Beijing:ChinaArchitecture&YuanWancheng,FanLichu.StudyonenergyBuildingPress,2009absorptionofanewaseismicrubberbearingfor6