引入限位弹簧的摇摆隔震桥墩地震响应分析

引入限位弹簧的摇摆隔震桥墩地震响应分析

王一,傅亚军

（中交第二航务工程局有限公司设计研究院  武汉市  430000）

摘要：在传统摇摆桥墩的基础上添加限位弹簧，提出了一种新型摇摆隔震桥墩。基于SAP2000平台分别建立了传统延性桥墩、传统摇摆桥墩、新型摇摆隔震桥墩有限元模型，以7种不同强度下的地震动作为输入进行非线性动力时程分析。通过对比三种体系的隔震指标后发现：添加限位弹簧的摇摆隔震桥墩相较于传统摇摆桥墩可以有效减小墩顶位移和预应力损失，提高残余初拉力上限。

关键词：摇摆桥墩；限位弹簧；初拉力损失；

0引言

大量试验研究[1-5]表明摇摆隔震桥墩具有良好的抗震性能，但其仍存在可改进之处。比如Marriott[6]指出传统摇摆桥墩由于安装了阻尼器而显著增加了建造成本，从而阻碍了其推广应用。且目前大多数研究均假设预应力钢筋处于弹性状态，但罕遇地震下预应力筋极有可能发生屈服甚至断裂，增加了桥梁倾覆的风险。

基于以上考虑，本文对传统摇摆隔震桥墩进行适当改造，取消了墩底的阻尼器，并添加了限位弹簧以弥补预应力筋屈服后桥墩自复位能力的不足。首先分析了新型摇摆桥墩的隔震机理，然后对比讨论了三种桥墩体系的抗震性能。

1新型摇摆隔震桥墩构造及工作机理

本文提出的新型摇摆隔震桥墩构造如图1所示。

图1 新型摇摆隔震桥墩示意图

多遇地震作用下，地震弯矩小于由自重及预应力筋提供的抗摇摆弯矩，桥墩不发生摇摆。当地震弯矩大于抗摇摆弯矩时，通过墩底加台提离将地震波在摇摆界面隔断，震后在自重及预应力筋作用下复位。当罕遇或极罕遇地震作用下，预应力筋进入屈服时，限位弹簧开始参与工作，阻止预应力筋进一步屈服，并与其一起为桥墩提供限位功能。

2有限元模型

本文选取某简支梁桥为研究对象：桥梁跨径为18m，主梁采用C40砼。桥墩采用C30砼，墩高8m，墩径1.5m。通过SAP2000建立有限元模型，其中桥墩的摇摆行为采用夏修身[7]提出的两弹簧模型实现，摇摆弹簧采用只受压不受拉缝单元模拟，弹簧抗压刚度参考文献[7]中的计算方法，计算得4.0×1010N/m。预应力钢筋采用桁架单元模拟，通过添加轴向塑性铰模拟其非线性特性，初应变模拟初拉力。体系3中限位弹簧及初始间隙采用只受拉钩单元模拟，并与缝单元并联。计算采用瑞利阻尼，阻尼比取0.05。有限元模型示意图如图2所示。

3非线性时程分析

本文选取典型中远场地地震波（Landers）作为输入，三体系地震响应如图3所示。

由图3(a)可以看出，摇摆隔震桥墩相较于传统延性桥墩，可以显著降低墩底弯矩。在0.1g、0.2g三条波作用下体系2与体系3墩底弯矩几乎相同，这是因为体系3在限位弹簧受力之前，仅有自重与预应力筋提供抗摇摆力矩，此时体系2与体系3并无区别。当地震动加速度峰值大于0.2g时，预应力筋发生屈服，限位弹簧开始参与工作，为结构提供额外的抗摇摆弯矩，因此体系3的墩底弯矩大于体系2。

由图3(b)可以发现，摇摆隔震桥墩由于放开了墩底约束，其墩顶位移均大于传统延性桥墩。在预应力筋屈服前，体系2与体系3的墩顶位移相差不大，与墩底弯矩的规律相符。体系2在预应力筋屈服之后，其墩顶位移的增速相较于屈服前显著提高，这是由于预应力筋屈服减小了墩身侧向刚度，使得桥墩更容易发生摇摆。反观体系3在预应力筋屈服后，相同强度地震波作用下的墩顶位移均小于体系2，说明限位弹簧的加入起到了很好的限位作用。

为表征地震作用下自复位组件的预应力损失情况，定义预应力损失比如下:

式中：为预应力筋初拉力；为地震作用下预应力筋残余初拉力；

表1 不同强度L波作用下体系2与体系3预应力损失百分比

由表1可知，当地震动强度较小时，体系2与体系3的预应力损失均较小，预应力钢筋尚处于弹性阶段。随着地震动强度增大，两体系预应力损失逐渐增多，特别是体系2在0.6g、0.7gL波作用下，初拉力损失比高达100%，意味着初拉力完全损失，而加入限位弹簧后，体系3在不同强度地震作用下的预应力损失均小于体系2，且预应力筋至少可以保留一半以上的初拉力。因此限位弹簧的加入有效地降低了初拉力损失，提高了残余初拉力上限。

4结论

本文在传统摇摆隔震桥墩的基础上进行改进，提出了一种新型桥墩体系，经对比分析可知：添加限位弹簧的摇摆桥墩相较于传统摇摆桥墩可以有效减少墩顶位移。且预应力筋屈服后，限位弹簧可以分担一部分抗倾覆力矩，有效地阻止了预应力筋进一步屈服，提高了残余初拉力上限。

参考文献：

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[7] 夏修身. 铁路高墩抗震设计方法研究[D]. 兰州：兰州交通大学, 2012.