昆明昆明市东外环大桥减隔震案例设计科技

摘 要: 昆明东外环大桥位于高烈度抗震区，桥梁采用连续箱梁方案，本文研究了几种抗震设计方案（桥墩延性抗震方案，摩擦摆式减隔震支座方案，粘滞阻尼器方案）对结构抗震性能的影响；通过分析可知：不同的减隔震抗震设计方案对结构受力特性的影响也不相同，采用减隔震方案后，结构主要地震响应量均有不同程度地减小，其中以摩擦摆式支座隔震方案为最优，以此作为桥梁的最终抗震设计方案。
关键词: 连续梁桥；摩擦摆式减隔震支座；粘滞阻尼器；非线性时程分析
前言
近年来, 全球地震灾害频发，在国内外发生的几次大地震中，作为城市生命线工程的桥梁遭受了严重的破坏，造成了巨大的经济损失，并严重影响到灾区的抗震救灾和恢复重建。因此，对桥梁尤其是高烈度区的桥梁，采取合理、有效的减震措施以确保其抗震安全性，具有十分重要的社会意义和经济意义。
目前，传统的结构抗震设计方法都是使结构具有足够的强度、刚度和延性,以达到抗震设防目标。这种“以强制强”的设计方法，并不能有效地降低结构的地震反应,而且还将付出沉重的经济代价。
在过去三十多年里，桥梁减隔震技术正逐渐成为一种改善桥梁抗震性能的有效途径。自从美国Sierra Point高架桥使用铅芯橡胶支座进行抗震加固后,世界上先后有200多座桥梁使用减隔震技术进行旧桥加固或新建桥梁的抗震设计。我国则从二十世纪八十年始研究桥梁减隔震技术,目前在地震高

源于：普通论文格式范文www.udooo.com

烈度区也建成了多座减隔震桥梁[3]。
本文以昆明东外环大桥为工程背景，研究了不同的抗震设计方案（包括延性抗震设计方案，摩擦摆式减隔震支座方案，粘滞阻尼器方案）的抗震性能。从结构体系及抗震效果等方面进行比选，选择最合适的抗震设计方案；本文的研究思路和研究成果可供相关工程实践参考。
一基本设计条件

1.1 工程概况

东外环大桥位于昆明市呈贡新区吴家营片区，紧临新昆明南火车站，桥梁西侧为昆明市白龙潭水库；桥梁平面位于R=900m 的圆曲线，Ls=276m的缓和曲线及直线上，桥梁分左右幅设置，单幅纵向分为三联，孔跨布置为3×30+2×(4×30)m，全长337m，单幅桥面宽度13m。桥梁上部结构采用预应力混凝土现浇连续箱梁，箱梁截面采用单箱双室斜腹板截面，梁高1.8m；下部结构采用板式花瓶墩，墩高6~10.5m，桥墩基础采用矩形承台及钻孔灌注桩群桩基础，桥台采用座板式桥台，群桩基础。桥位处地质条件从上至下为人工填土，粉质粘土，圆砾土，下伏主要岩性为二叠系（P1y）灰岩。

1.2 动力分析模型的建立

本文采用MIDAS Civil v7.8非线性有限元软件的空间杆系模型对该桥第二联箱梁进行动力特性及非线性时程分析，全联主梁和桥墩都离散为三维梁单元，承台近似按照刚体模拟，墩底与承台中心主从刚性连接，二期恒载以线质量形式加在梁单元上；相邻联梁对边墩的支反力转换为节点质量作用在边墩节点上。具体模型如下图所示：

图

1.1 桥梁第二联动力模型分析图

1.3 抗震设计标准及地震动输入

根据《城市桥梁抗震设计规范》[4]表3.1.1规定，本桥梁抗震设防类别为乙类，应进行两阶段抗震设计；《城市桥梁抗震设计规范》推荐了两种抗震设计方法：延性设计方法和减隔震设计方法。其中延性设计方法在地震作用下，桥梁的弹塑性变形、耗能部位位于桥墩，上部结构、上下部结构连接构件（支座）以及桥梁基础，不受损伤，在弹性范围；而减隔震设计是指桥梁的耗能部位位于桥梁上、下部连接构件（支座、耗能装置）；上部结构、桥墩和基础不受损伤、在弹性范围。本桥的抗震设计原则为：E1阶段，结构处于弹性状态，结构不发生损伤；E2阶段，结构可以处于延性状态，产生弹塑性变形，但应保证墩、台身潜在塑性铰区域有足够的塑性变形能力。
东外环大桥的地震动参数由云南省地震工程研究院提供，桥址所在地抗震基本烈度为8度，场地类型为Ⅲ类，设计基本地震动峰值加速度为0.2g，地震响应分析选用重现期为475年和2500年的地震动参数作为E1和E2阶段地震输入，地震加速度时程每组选择3条，图

1.2为重现期为2500年的一条水平向地震加速度时程曲线。

本桥采用非线性动力时程分析方法进行地震反应分析；时程反应分析采用一致激励输入，分别采用纵向地震动输入和横向地震动输入，且均不考虑竖向地震动输入的影响，结构阻尼比取0.05。
图

1.2 地震动输入时程曲线（重现期2500年）

二、减隔震设计方案

2.1 减隔震方案选择

目前应用于桥梁抗震设计的减隔震装置主要有阻尼器、减隔震支座等，本文将针对以下三种设计方案进行分析、比较：
（1）常规设计方案：一联箱梁中2个中间墩设置公路盆式固定支座，其余桥墩均设置纵向活动支座，通过桥墩延性抗震。
（2）隔震设计方案：各个桥墩均设置摩擦摆式减隔震支座。
（3）消能减震设计方案：在常规设计方案的基础上，于设活动支座桥墩处纵向设置粘滞阻尼器。

2.2 隔震设计方案

在每座桥墩处各设2个摩擦摆式减隔震支座，一联箱梁共5座桥墩10个减隔震支座，摩擦摆隔震支座是一种圆弧面滑动摩擦系统，具有较强的限、复位能力、耗能机制和良好的稳定性。当施加在支座上的水平荷载小于摩擦力时，整个结构的运动与没有隔震支座时一样，隔震支座不起作用。当地震作用力超过静摩擦力时，摩擦摆隔震支座开始滑移，隔震支座所产生的恢复力等于动摩擦力和结构由于沿球面升高竖向重力分量所产生的侧向恢复力之和，这种恢复力与隔震支座所支承的重力和滑动的位移大小成比例[5]，图

2.1及图2分别为摩擦摆震支座的力学模型及恢复力模型图。

图

2.1摩擦摆隔震支座力学模型图图2 摩擦摆隔震支座恢复力模型图

摩擦摆式减隔震支座可以结合所确定的支座类型，初步设定一个比较合理的支座设计水平位移Ds，计算得出支座的等效刚度以及等效阻尼比，再根据支座的等效刚度与桥墩的组合刚度以及桥梁质量计算得出桥梁的减隔震等效周期，其计算公式如下：
——式中, 为重力加速度系数，为一联桥梁总质量，应包含梁体和各墩盖梁质量之和，为一联桥墩与其上部的减隔震装置等效刚度串联的刚度值(kN/m)。
按《城市桥梁抗震设计规范》第5.2.1条公式，根据上述计算得出的桥梁等效周期、等效阻尼比、结构特征周期、设计地震动峰值加速度等参数计算得出桥梁结构的设计加速度反应谱S，进而计算得出梁体纵横桥向的位移，其计算公式如下：

——式中，S为相应于减隔震桥等效周期，采用等效阻尼比修正的反应谱值；
将地震作用下的梁体顺横桥向的位移Dd与支座水平设计位移Ds比较，如果两者数值相差较大，则修改Ds的初始值，进行迭代计算，最终使Ds与Dd的数值基本接近；根据上述公式及迭代分析计算，得出各桥墩的隔震支座型号及支座参数如下：
表

2.1 桥墩摩擦摆式减隔震支座参数表

2.3 消能减震设计方案

在常规设计桥梁的设活动支座桥墩处纵向各设置一只粘滞阻尼器，试验研究表明，粘滞阻尼器提供的阻尼力取决于活塞相对于容器的运动速度，而不是取决于活塞的位移[5]。在温度、收缩和徐变作用下，阻尼器的阻尼力很小，在地震作用动力反应下，阻尼力随着活塞的运动速度增加而增大，粘滞阻尼器提供的阻尼力可用下式表示：
——式中，F为提供的阻尼力；C为阻尼系数，ν为速度，α为速度指数。
图

2.3为粘滞阻尼器的力学模型图。

图

2.3 粘滞阻尼器力学模型图

在消能减震设计中，通过调整粘滞阻尼器的阻尼系数C和速度指数α,可使结构达到较满意的减震效果。工程中，速度指数一般取α=0.2~0.5。当减震目标是为了确保减震效果时,可选用较大的阻尼指数。当结构的振动速度较大时，宜选用较小的速度指数，以控制一定的阻尼力，简化连接节点的构造。本文以控制E2地震作用下桥墩墩底的最大内力为主要目标,取速度指数为0.4。
在活动桥墩处纵向设置粘滞阻尼器可以降低纵向地震作用下桥墩的内力和主梁的位移；若结构的减震体系合理，随着阻尼系数C从无到有地增大，结构的减震效果会越来越明显[6]。但当阻尼系数C达到一定数值后，其变化对减震效果的影响则变得不再明显。当阻尼系数C达到理论无穷大时，粘滞阻尼器相当于一个嵌固节点，失去减震作用。阻尼系数C的确定应综合考虑减震效果、阻尼器与结构构件的连接以及构件内力等。本文经优化分析,粘滞阻尼器的阻尼系数C取为1200（KN/(m/s)0.4），α=0.4，最大阻尼力F=1000kN，阻尼器极限位移d=±0.075m。

2.4 减隔震方案结果比较

根据《城市桥梁抗震设计规范》第9.1.2条规定，采用减隔震设计的桥梁可只进行E2地震作用下的抗震设计和验算，本文直接选取所求得的隔震支座、阻尼器等减隔震装置的参数进行E2地震作用下的非线性时程分析，表2.2为不同抗震方案的桥梁主要构件的内力和位移计算结果，图2.4示出了对应的固定墩弯矩及主梁位移时程曲线图。
表

2.2 E2地震作用下各种抗震方案下固定墩墩底弯矩和主梁位移计算值

(a) 墩底弯矩时程图（常规方案） (b) 墩底弯矩时程图（隔震方案）

(c) 墩底弯矩时程图（消能减震方案） (d) 主梁位移时程图（常规方案）

(e) 主梁位移时程图（消能减震方案） (f) 主梁位移时程图（隔震方案）
图

2.4 各种抗震方案下固定墩墩底弯矩及主梁位移时程图

结 论
通过上述分析，可以得出以下主要结论：
1连续梁桥在桥墩处设置摩擦摆式减隔震支座，即采取隔震设计方案后，可以增大结构的自振周期,使其远离反应谱的特征周期。与常规的抗震设计方案相比，墩底内力的减震效果可达到75%，但主梁的位移会增大，可采取在墩顶设置抗震挡块，在相邻两联箱梁之间设置预应力钢绞线等抗震限位装置控制主梁的位移，防止落梁。
2连续梁桥采用普通抗震支座，在设活动支座桥墩处设置粘滞阻尼器，即采取消能减震设计方案后，与常规抗震设计方案相比，墩底内力和主梁的纵向位移得到较好的控制，墩底内力减小45%左右，主梁位移可以减小20%左右。
3由于本桥梁位于高烈度地震区，地震作用控制结构设计，比较上述几种抗震方案，如选用常规桥梁设计方案，则通过桥墩延性抗震桥墩下部基础所需尺寸较大，且在E2地震作用下，桥墩已经延性破坏，维修费用较高；消能减震设计方案虽然较常规桥梁方案可以减小墩底的内力和主梁的位移，但墩底内力减小幅度不如隔震设计方案；而采用摩擦摆式减隔震支座的隔震设计方案可以最大限度地减小结构的地震响应，并通过设置抗震限位装置控制主梁的位移，相比其余两种方案有效的减小桥墩及基础的结构尺寸及配筋，从而降低工程造价，并且在E2作用下可以使桥梁各构件均处于弹性工作范围内，不发生损坏，经济性较好，可作为昆明东外环大桥的最终抗震设计方案。
参考文献
周福霖．工程结构减震控制 [M]．北京：地震出版社，1997.
范立础，王志强．桥梁减隔震设计 [M]．北京：人民交通出版社，2001.
范立础，王志强．我国桥梁隔震技术的应用 [J]．振动工程学报，1999，12(2): 178~181.
C 166-2011 城市桥梁抗震设计规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2011.
蒋建军．桥梁几种典型减隔震装置的减震效果比较与研究．[硕士学位论文].上海：同济大学，2005.
方海，李升玉等．高烈度区连续梁桥的减震设计方法研究[J]．地震工程与工程振动，2005，6(2): 159~163.

摘自：本科毕业论文答辩www.udooo.com