提离式基础在深水连续刚构桥上的减隔震分析

　　摘要 基于常规减隔震技术在连续刚构桥减隔震设计中无法取得良好效果的局限性，对高烈度深水库区的连续刚构桥进行了地震时程分析，分别计算不同水深条件下采用摇摆提离式基础减隔震装置前后的桥墩地震响应，分析不同水深条件下墩顶位移、墩底弯矩、墩底剪力等参数的减震率，得出摇摆提离式基础的减隔震规律和抗震设计关键控制指标。

　　关键词 减隔震;提离式基础;连续钢构;抗震设计;桥墩

　　引言

　　为开发丰富的水电资源，我国西南地区大江大河中修建了大量的水电站，随之形成了大量深水库区桥梁，而且这些西部库区深水桥梁所在的地域多处于地震多发区。研究表明，当地震发生时，由于动水等效附加质量的影响，结构的自振频率将减小，桥墩与主梁的内力与位移普遍增大，动水作用对抗震是不利的[1]，桥梁将处于更不利的抗震状态。

　　虽然目前减隔震技术可以通过设置减隔震装置来延长周期，增大阻尼以耗散能量，并利用隔震体系，设法阻止或减少地震能量传入到主体结构，进而避免结构构件的损伤[2]。但是对于刚构桥这种墩梁固结的结构形式，常规的在过渡墩处安装阻尼器、减隔震支座等减隔震装置的抗震技术对于全桥的减隔震效果相当有限，无法对桥墩起到良好的保护效果。

　　因此研究分析摇摆提离式基础这种新式减隔震装置的在刚构桥上的减隔震效果，对于提高刚构桥的抗震能力具有非常重要的意义。

　　1 摇摆提离式基础减隔震机理

　　近年来，摇摆提离式基础的提出为连续刚构桥的减隔震带来了新的思路和方案。摇摆提离式基础主要将地震动从桥墩底部隔离，隔震装置可以由桥墩自身来完成[3]。要求正常使用及多遇地震作用下不发生提离，此时桥墩与基础看成一个不分离的整体。多遇地震下的内力可与传统墩一样，按反应谱法或时程分析法进行计算;罕遇地震下通过桥墩的提离摇摆耗散地震能量，既能在一定程度上减弱地震对桥墩及上部构件的破坏，也能通过桥墩自重及其他竖向初始力保证桥墩的自复位功能[4]。同时，加设限位耗能钢筋可减少墩顶位移，提高摇摆隔震桥墩的整体侧向刚度。在多遇地震作用下，限位钢筋不拉断;在罕遇地震作用下，钢筋拉断实现自由摇摆，如图1所示。在地震下不产生损伤，既保护了桥墩也保护了基础，大大降低了震后的修复难度及费用。

　　2 工程背景

　　依托工程小江大桥位于白鹤滩水电站库区内，主桥为(70+5×120+70)m预应力混凝土连续刚构，主梁采用C55混凝土，采用三向预应力混凝土结构。主桥桥墩墩身采用C40双肢实心墩，墩高80～90 m。下部基础采用承台接群桩基础。其具体布置见图2所示。地震动峰值加速度0.30 g，反应谱特征周期0.45 s，抗震设防烈度Ⅷ度。白鹤滩水电站蓄水后，主墩最高淹没水深为69～79 m。

　　3 摇摆提离式基础减隔震效应分析

　　3.1 模型计算分析参数

　　该文采用有限元分析软件对小江大桥进行时程分析，基于流固耦合理论的有限元模型进行计算，其中，桥墩和水体分别采用3D-Solid单元、3D-Fluid单元模拟[5]。地震波加载方向为顺桥向，取20倍桥墩尺寸宽度的水体，桥墩底部采用仅能受压的link10单元模拟提离弹簧，提离弹簧的刚度k=1×107 kN/m，阻尼系数c为1 820 kN·s/m，弹簧底部固结。

　　为了分析水深、减隔震装置对结构动力响应的影响，采用无量纲参数R表示桥墩各动力响应减震率：

　　式中，R——桥墩地震动力响应(包括墩顶最大水平位移、墩底最大剪力、墩底最大弯矩等)减小率;

　　D0——在未安装减隔震装置时桥墩在不同水深条件下的地震动力响应(包括墩顶最大水平位移、墩底最大剪力、墩底最大弯矩等);

　　Di——在设置摇摆提离式基础减隔震装置后桥墩在不同水深条件下的地震动力响应(包括墩顶最大水平位移、墩底最大剪力、墩底最大弯矩等)。

　　3.2 计算结果分析

　　分别计算桥梁结构在无水、45 m水深、75 m水深状态下未采取减隔震装置的地震响应和采取摇摆提离式基础后的地震响应，对减震前后的地震响应进行比对分析。

　　3.2.1 纵桥向墩顶位移

　　如图3及表1所示，引入提离式基础后，各墩墩顶最大位移在无水工况下均有所增加，其中，1#边墩墩顶位移增大7.1 mm，增幅达到22.725%，中墩墩顶位移也被放大，但增幅小于邊墩，5#中墩墩顶位移增幅最小，但仍达到16.314%;由此表明，采用提离式基础降低了墩底刚度，放大了结构的墩顶位移，采用提离式基础的桥梁应把墩顶位移作为一个重要控制指标。

　　采用提离式基础的连续刚构桥在水深45 m、75 m的工况下，每个单墩墩顶位移的减震率如表1所示。采用提离式基础的连续刚构桥，边墩的墩顶位移增幅稍大于中墩，随水深的增加，各桥墩墩顶位移的增幅逐渐减小，当淹没水深达到75 m时，其增幅约为无水工况的1/2，但边墩墩顶位移增幅仍略大于中墩。这是由于水增大了结构的阻尼，降低了结构自振频率，减小了由提离式基础引起的部分墩顶位移。

　　3.2.2 纵桥向墩底剪力

　　如表2所示，引入提离式基础后，各墩的墩底剪力极值均出现明显减小，其中6#边墩降幅最大，剪力极值减小约17.5%，4#中墩降幅最小，剪力极值减小约12.6%。由于提离式基础没有固定的自振频率，不会出现与地震主频同频的共振现象，由此表明，无水工况下采用提离式基础可以有效减小桥墩墩底剪力，具有明显的减震效果。

　　采用提离式基础的连续刚构桥在水深45 m、75 m的工况下，其纵桥向墩底剪力均小于采用普通基础的连续刚构桥，采用提离式基础对边墩的纵桥向墩底剪力的减震效果略好于中墩。随水深的增加，提离式基础对纵桥向墩底剪力的减震效果逐步下降，当水深达到75 m时，6#边墩的减震率约为9%，小于45 m水深和无水工况下的12%和17.46%，3#中墩减震率仅为5.25%，减震效果小于浅水工况。由此表明，提离式基础对纵桥向墩底剪力的减震效果将随着水深的增加而逐步减小。

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文章名称： 提离式基础在深水连续刚构桥上的减隔震分析

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