作者：张毅
城市高架桥为生命线工程的重要组成部分，一旦在地震中遭到破坏，其后果是灾难性的。同济大学袁万城教授提出的一种具有完全自主知识产权的新型减震支座——拉索减震支座，是在普通盆式支座／球型支座的基础上，结合目前国内外普遍采用的一种限位拉索组合而成。正常使用荷载作用下，拉索减震支座与普通支座相同，能够满足上部结构荷载及位移的要求；在桥梁结构遭遇设计地震时，支座抗剪销剪断，整个体系转变为减隔震体系，使墩梁之间的位移在可控范围内；实现桥梁结构地震反应的力与位移的合理平衡，具有显著的防落梁效果。
在同等抗震要求下，与其他减隔震支座相比降低造价10%以上。本文以某城市高架连续梁桥作为背景，输人多条不同类型的地震动记录，与常规非减震桥梁做对比，系统地考察近断层脉冲地震动、近断层非脉冲地震动及远场地震动对采用拉索减震支座连续梁桥地震响应的影响，为近断层区域城市高架桥梁结构采用拉索减震支座设计方案提供参考。
1工程概况
1.1桥梁有限元模型
本文以某城市高架桥中一座连续梁桥为背景建立SAP2000有限元分析模型，全桥跨径布置为4x 30 m，墩高约8m。上部主梁为等截面单箱多室混凝土箱梁，桥面宽32 m。下部为花瓶式桥墩，基础均采用桩基础形式，承台下设5根直径为1.2 m钻孔灌注嵌岩桩，承台厚度为3 m。在各墩顶（从左至右）布置的支座竖向承载力依次为8 MN、15 MN、1 5 MN、15 MN、8 MN。
SAP2000动力分析模型采用三维空间有限元分析模型。其中，主梁和桥墩用梁单元模拟（假定桥墩不发生塑性变形），桩基础采用等效的土弹簧单元模拟桩一土的相互作用，盆式橡胶支座采用Plastic-Wen连接单元模拟，拉索减震支座根据其设计原理采用PlastiC-Wen连接单元与Multi-linear连接单元组合模拟，有限元分析模型见图1。
1.2地震动输入
将近断层区域内的地震动表征为近断层地震动，与之区分的是远场地震动，而对于在近断层区域内不同震源机制如方向性效应或滑冲效应产生的脉冲对结构存在重要影响，因此近断层地震动又区分为有、无脉冲地震动。本文采用文献[3]给出的80条具有近断层脉冲效应的地震动记录。地震动记录选择的范围覆盖加速度峰值、脉冲持时、频率内容和断层距。为进一步比较近断层地震动有、无脉冲对结构的影响，以及近断层与远场地震动对结构的影响差异，同时选取20条近断层非脉冲型地震动及20条远场地震动。
1.3分析工况
本文主要分析近断层地震的方向性效应脉冲、滑冲效应脉冲对普通非减震连续梁桥及采用拉索减震支座减震的连续梁桥地震响应的影响，作为对比，同时分析近断层非脉冲地震动及远场地震动对桥梁结构的影响。对于普通非减震连续梁桥，按照常规做法布置盆式橡胶支座，P2墩放置盆式固定支座，其余墩上放置盆式滑动支座，在强震作用下P2墩固定约束不释放。拉索支座减震桥梁支座具体布置形式见图2，P2墩放置固定型拉索减震支座，其余墩上放置滑动型拉索减震支座，在强震作用下P2墩固定支座的抗剪销剪断。在下文的非线性时程分析中，除特别注明外，支座摩擦因数均取0.02；15 MN支座拉索刚度取5.82×l05 kN/m，过渡墩8 MN支座拉索刚度取3.10×l05 kN/m；拉索自由程均取0.20 m。
2结果分析
对不同地震动作用下桥梁结构地震响应分析，进行非减震桥梁结构及拉索支座减震桥梁结构在顺桥向的非线性时程分析，阻尼比5%．地震波输入方式为水平向。在连续梁桥的抗震设计中，最关心地震响应是桥梁墩底剪力、墩底弯矩、主梁加速度、主梁位移和支座位移等，为方便比较减震与非减震的情况，取非减震桥梁中放置固定支座的P2墩底截面处的剪力峰值、弯矩峰值，主梁加速度峰值及主梁位移峰值取自主梁跨中位置，支座位移峰值取自P2墩位处支座。
2.1近断层有、无脉冲地震作用
对近断层有、无脉冲地震动作用下桥梁结构地震响应分析，无脉冲地震动取文献[5]中的20条近断层无脉冲地震波，脉冲型地震动取文献[5]中的80条脉冲型地震波。非减震桥梁及拉索支座减震桥梁响应的峰值取平均值后列于表l中，表中一并给出减震与非减震桥梁响应的比值及近断层无脉冲与脉冲型作用下桥梁响应的比值。图3给出近断层脉冲地震动Imperial Vallev ECA #10作用下结构响应时程。图4给出近断层非脉冲地震动LomaPrieta GA #7作用下结构响应时程。
由表1和图3、图4可见，对于非减震桥梁结构，与近断层无脉冲地震动作用相比，近断层脉冲型地震动作用下结构地震响应明显不同。近断层脉冲地震动作用下非减震结构的墩底剪力和墩底弯矩平均值均大于近断层无脉冲地震动作用下结构响应值，分别是1.09和1.09倍；无脉冲地震动作用下的主梁加速度大于有脉冲下的值，而主梁位移值则是脉冲型地震动作用下略大于无脉冲地震动作用下值。对于拉索支座减震桥梁结构，近断层脉冲地震动作用下与无脉冲地震动作用下结构响应的比值要远大于非减震桥梁的比值，墩底剪力、弯矩、主梁加速度、主梁位移、支座位移分别达到2.54、3.01、1.10、1.46和1.23倍，说明与近断层非脉冲地震动相比较，脉冲型地震动对拉索支座减震桥梁结构的抗震性能影响更大。
对于近断层无脉冲地震动作用下，与非减震桥梁相比，拉索支座减震桥梁的墩底剪力、墩底弯矩均显著减小，其平均值分别是非减震桥梁地震响直的0.13、0.11倍，非减震桥梁的墩底弯矩达到69 670 kN．m，远超P2墩底截面处的极限弯矩值1 28 195 kN-m)，表明此时非减震桥梁结构的P2墩底已经发生破坏；拉索支座减震桥梁的墩底弯矩分别为7 517 kN-m，说明P2墩墩身弯曲强度仍能满足预期的抗震要求，具有较高的安全储备；主梁加速度、位移值分别是非减震桥梁的0.88倍，说明其减震效果良好。
对于近断层脉冲地震动作用下，与非减震桥梁相比，拉索支座减震桥梁的墩底剪力、墩底弯矩亦明显减小，其平均值分别是非减震桥梁地震响应的0.30、0.30倍，非减震桥梁的墩底弯矩达到75 610 kN．m，表明此时非减震桥梁结构的P2墩底也已经发生破坏；拉索支座减震桥梁的墩底弯矩分别为22 600 kN．m，说明P2墩墩身弯曲强度仍能满足预期的抗震要求，并具有一定的安全储备；但是主梁加速度、位移值分别是非减震桥梁的1.26和1.18倍，说明位移值较非减震时要大一些，整体来看，其仍具有较好的减震效果。
2.2近断层、远场地震作用
对近断层、远场地震动作用下桥梁结构地震响应分析，远场地震动取文献[3]中的20条远场地震波，近断层地震动取文献[3]中的100条近断层地震波，非减震桥梁及拉索支座减震桥梁响应的峰值取平均值后列于表2中，表中一并给出减震与非减震桥梁响应的比值及近断层、远场地震动作用下桥梁响应的比值。图5给出远场地震动Chi-Chi CHY075作用下结构响应时程。
由表2、图5可见，对于非减震桥梁结构，与远场地震动作用相比，近断层地震动作用下结构地震响应明显较大。近断层地震动作用下非减震结构的墩底剪力、墩底弯矩、主梁加速度和主梁位移平均值均大于远场地震动作用下结构响应值，分别是1.49、1.56、1.22和1.49倍。对于拉索支座减震桥梁结构，近断层地震动作用下与远场地震动作用下结构响应的比值要远大于非减震桥梁的比值，墩底剪力、弯矩、主梁加速度、主梁位移、支座位移分
别达到2.11、2.33、1.36、1.64和1.48倍，总的来说，与远场地震动相比较，近断层地震动对拉索支座减震桥梁结构的抗震性能影响更大。
对于远场地震动作用下，与非减震桥梁相比，拉索支座减震桥梁的墩底剪力、墩底弯矩更进一步减小，其平均值分别是非减震桥梁地震响应的0.15、0.13倍，非减震桥梁结构的P2墩底发生破坏，而拉索支座减震桥梁的P2墩墩身弯曲强度仍具有较高的安全储备；主梁加速度、位移值分别是非减震桥梁的0.93和0.95倍，说明位移值与非减震时相差不大。
整体来看，拉索减震支座在远场地震动作用下的减震率要大于近断层地震动作用。这也从另一个方面反映近断层地震动对桥梁结构造成的破坏明显大于一般远场地震动，在近断层地区进行结构设计时应当加以重视。
3结语
本文以某高架桥梁为工程背景建立四跨连续梁桥的非减震结构模型和拉索减震支座减震结构模型，探讨近断层地震动对桥梁结构的地震响应影响，得到以下结论：对于近断层脉冲型地震动作用下，拉索支座减震桥梁的地震响应墩底剪力约为非减震桥梁的30%；近断层无脉冲地震动作用下，减震桥梁的地震响应墩底剪力约为非减震桥梁的13%；一般远场地震动作用下，减震桥梁的地震响应墩底剪力约为非减震桥梁的15%。脉冲型地震动作用下，主梁位移较非减震桥梁增加30%左右；结果表明，无论是近断层脉冲型地震动、还是非脉冲地震动或一般远场地震动作用下，拉索减震支座均能起到很好的减震作用，保证结构的抗震安全性，具有广泛的适用性。
4摘要：处于近断层地震威胁下的城市高架桥梁需要引入减隔震设计方案解决抗震问题，拉索减震支座由于其良好的适应性较好地解决这一难题。以某城市高架桥中的4x 30 m跨径连续梁桥为工程背景，建立全桥有限元模型，基于不同特性的地震动输入，进行拉索减震支座减隔震方案的桥梁结构非线性时程分析。计算结果表明，无论是近断层脉冲型地震动、还是非脉冲地震动或一般远场地震动作用，拉索减震支座均能起到很好的减震作用，满足结构的抗震需求，是高架连续梁桥减隔震体系的理想设计结构。
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