對連續(xù)梁橋減隔震支座抗震性能的比較分析

史 康，全 健，王福敏 ，耿 波

(1. 重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074；2.四川新宜建設(shè)投資有限公司 ，四川 宜賓 644000；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

近年來，國內(nèi)外地震發(fā)生較為頻繁，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大的影響。橋梁作為交通運輸?shù)纳€如何有效地減小地震作用的影響，越來越多地引起人們的重視。而減隔震技術(shù)可以顯著提高橋梁結(jié)構(gòu)在遭遇地震時的安全性，減輕結(jié)構(gòu)的破壞。在大型橋梁的設(shè)計中得到越來越多的利用，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法是依靠增加結(jié)構(gòu)的強度和延性變形能力來抵制地震，這就需要增大橋墩和基礎(chǔ)的截面尺寸及配筋量，以達到抗震設(shè)防的標準。這種“以強制強”的設(shè)計方法，實際證明并不能有效地降低結(jié)構(gòu)的地震反應。目前國內(nèi)外廣泛采用的隔震技術(shù)是，在橋墩與主梁的連接處采用減隔震支座，應用較廣的支座形式有摩擦擺式支座、鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座[1-5]。由于高阻尼橡膠支座仍處于起步階段，現(xiàn)階段主要采用的為鉛芯橡膠支座和普通橡膠支座[6-10]。本文依托廈漳跨海大橋北汊南引橋，通過采用有限元非線性時程分析方法，比較分析鉛芯橡膠減隔震支座、盆式橡膠支座對高烈度地區(qū)大跨徑連續(xù)箱梁橋的抗震影響。

1 工程概況

廈漳跨海大橋北汊南引橋起于廈門海滄岸廈漳分界線青興路附近的青礁樞紐立交橋，止于漳州龍海市沙壇村后宅處。按雙向六車道高速公路標準設(shè)計，設(shè)計車速100 km/h，設(shè)計基準期100 a，車輛荷載等級取公路-I級，全長3 962.4 m，分為13聯(lián)，橋面寬33 m，主梁采用強度為C50的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，截面為單箱單室形式。采用鉆孔灌注樁，樁分為2段，下段樁直徑為1.6 m，上段樁直徑為2.0 m。墩高范圍18.059～10.625 m，墩身混凝土強度C40?；诜治隹紤]，本文選取北汊南引橋第10—12聯(lián)進行計算分析，橋型布置為6×50 m+6×50 m+6×50 m。橋型布置圖見圖1；主梁截面形式見圖2；墩身詳細布置圖見圖3。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

圖2 主梁截面形式(單位：cm)

(a)墩身立面布置圖 (b)墩身平面布置圖

2 減隔震設(shè)計

2.1 減隔震原理

圖4(a)為結(jié)構(gòu)的加速度反應譜，由圖可知結(jié)構(gòu)隨著周期的延長其地震反應加速度能夠得到有效的降低；而由圖4(b)知，隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增加，結(jié)構(gòu)位移也同時增加，為了減小結(jié)構(gòu)的位移可以采用增加結(jié)構(gòu)阻尼的方式，從而最終減小地震對結(jié)構(gòu)整體的影響。減隔震的設(shè)計原理是：1)增加結(jié)構(gòu)的柔性以延長結(jié)構(gòu)的自振周期，減小由地震所產(chǎn)生的地震荷載；2)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，以減小隨著結(jié)構(gòu)自振周期的延長而增加的位移。

(a) (b)

圖4 加速度、位移時程變化圖

2.2 常用橋梁減隔震支座模型模擬

目前應用較為廣泛的為鉛芯橡膠支座、摩擦擺式支座與高阻尼橡膠支座，其中鉛芯橡膠支座是在普通橡膠支座的中部或中心豎直地壓入純度為99.9%的鉛芯，利用鉛芯在地震作用中的彈塑性性能來達到耗散地震能量的效果。由于鉛的屈服應力較低(約7 MPa)，并在塑性變形條件下具有較好的耗能特性，被視為一種良好的阻尼器。鉛芯橡膠支座具有較好的滯洄特性，其初始剪切剛度可以達到板式橡膠支座剛度的10倍以上，其屈服后的剛度接近板式橡膠支座的剪切剛度?；阢U芯橡膠支座的滯洄曲線近似的接近雙線性行為，可用雙線性模型模擬，其滯洄曲線見圖5；而板式橡膠支座或活動盆式橡膠支座屈服后并不具備良好的可塑性，其滯洄曲線模型見圖6。

圖5 鉛芯橡膠支座滯洄曲線

圖5中，K1為彈性階段的剛度，K2為屈服階段的剛度。

圖6 盆式橡膠支座滯洄曲線

盆式橡膠支座臨界滑動摩擦力

Fmax=μdR

(1)

初始剛度為

(2)

式中：μd為滑動摩擦系數(shù)，一般取0.02；R為支座所承擔的上部結(jié)構(gòu)重力(kN)；xy為盆式橡膠支座屈服位移(m)，一般取0.002～0.005 m。

3 有限元模型

為了分析高烈度區(qū)不同減隔震支座對橋梁受力的影響，采用有限元動力非線性時程分析方法，利用MIDAS Civil 2010分別建立了使用盆式橡膠支座與鉛芯橡膠支座的有限元模型。主梁與橋墩均采用梁單元模擬，共有節(jié)點685個，梁單元500個。有限元模型見圖7。

圖7 有限元模擬

鉛芯橡膠支座與盆式橡膠支座均采用相同噸位的1 250 t與2 500 t支座，其相關(guān)的物理參數(shù)見表1、2。在建立盆式橡膠支座模型中，墩4支座固定，其他墩支座橫橋向固定，順橋向放開。墩底節(jié)點全部固定。

表1 鉛芯橡膠支座力學性能

注：K2代表水平二次剛度。

表2 盆式橡膠支座力學性能

該橋橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為9度，建筑場地為A類，選用100 a超越概率10%的地震波樣本進行動力時程分析，地震作用時最大地面加速度峰值為0.25 g，地震波時程函數(shù)見圖8。

圖8 地震波時程函數(shù)

4 鉛芯橡膠支座與盆式橡膠支座對橋梁抗震性能影響比較

為了較為真實地反應結(jié)構(gòu)在地震作用下的影響，比較分析時只提取中間一聯(lián)的數(shù)據(jù)。中間聯(lián)橋墩編號見以上有限元模型。

4.1 結(jié)構(gòu)特征分析

結(jié)構(gòu)特性分析時提取前15階模態(tài)，在地震作用下2種不同支座形式的結(jié)構(gòu)周期比較見表3。

表3 地震作用下結(jié)構(gòu)周期比較 s

圖9示給出了結(jié)構(gòu)采用不同支座下，其前15階模態(tài)對應的周期，采用鉛芯橡膠支座最大振動周期為2.48 s，而盆式橡膠支座為1.81 s。并從圖9可以看出鉛芯橡膠支座明顯地延長了結(jié)構(gòu)的振動周期，這對整個結(jié)構(gòu)來說是極其有利的。說明鉛芯橡膠支座可以增加結(jié)構(gòu)的延性，從而減小地震作用的影響。從圖10、11可以看出鉛芯橡膠支座滯回曲線與理論值很接近，說明了計算結(jié)果的可信性。

圖9 結(jié)構(gòu)振動周期

圖11 鉛芯橡膠支座滯回曲線(1 250 t)

4.2 內(nèi)力響應比較

提取墩底部最不利截面進行內(nèi)力比較，比較結(jié)果見表4—5、圖12—14。

表4 順橋向墩底內(nèi)力

表5 橫橋向墩底內(nèi)力

(a)墩底順橋向軸力 (b)墩底橫橋向軸力

圖12 墩底軸力

(a)墩底順橋向彎矩 (b)墩底橫橋向彎矩

圖13 墩底彎矩

(a)墩底順橋向剪力 (b)墩底橫橋向剪力

圖14 墩底剪力

由圖12—14可以較明顯看出，鉛芯橡膠支座能夠改善結(jié)構(gòu)在地震作用下的影響，減小了上部結(jié)構(gòu)傳給橋墩的力。從圖12—14可以看出，順橋向在非固定墩(1—3、5—6)處采用鉛芯支座的內(nèi)力要大于盆式支座，而在固定墩(4號墩)處盆式支座內(nèi)力明顯大于鉛芯橡膠支座。順橋向在固定墩處彎矩、剪力減小約80%，在非固定墩彎矩增加60%～70%，剪力增加50%～65%，軸力在順橋型全部墩均有減小，其范圍為12%～37%。橫橋向在全墩均減小，彎矩減小67%～76%，剪力減小65%～76%，軸力減小16%～36%。

導致此結(jié)果的主要原因是采用盆式支座時，4號墩為固定墩。在地震作用下固定墩承受了大部分的慣性力，這樣相應減小了其他非固定墩的受力。而鉛芯橡膠支座是由所有橋墩較均勻地分擔全部的慣性力，這可以從圖14中鉛芯支座內(nèi)力平穩(wěn)增長的趨勢得到很好的解釋，與采用盆式支座出現(xiàn)較大幅度的波動有很明顯的對比。同時，經(jīng)計算2種不同支座形式在地震作用下總的內(nèi)力值基本一致。橫橋向由于2種支座均固定，沒有出現(xiàn)順橋向的幅值波動，但是從受力來看采用鉛芯橡膠支座可以極大改善結(jié)構(gòu)的受力情況。

4.3 位移響應比較

選取主梁兩端部和橋墩墩頂處進行位移比較分析，主梁梁端和橋墩墩頂位移分別見表6、7和圖15。

表6 主梁梁端位移 cm

表7 橋墩墩頂位移 cm

(a)墩頂順橋向位移 (b)墩頂橫橋向位移

圖15 墩頂位移

由表6、7與圖15可以看出主梁梁端位移，鉛芯支座大于盆式支座。橫橋向主梁左右兩端位移平均增加約200%；順橋向平均增加約20%。墩頂位移順橋向在非固定墩鉛芯支座大于盆式支座，而在固定墩相反；橫橋向位移盆式均大于鉛芯。出現(xiàn)此種結(jié)果主要是由于鉛芯支座阻止了上部結(jié)構(gòu)受力傳給下部結(jié)構(gòu)，保證同樣的慣性力作用下，通過采用增大上部結(jié)構(gòu)的位移減小下部結(jié)構(gòu)受力的影響。

5 結(jié)論

通過比較分析，鉛芯橡膠支座較盆式橡膠支座而言，其可以較大地改善結(jié)構(gòu)的受力性能。

1)鉛芯橡膠支座可以延長結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動周期，增大結(jié)構(gòu)的延性。其在延長橋梁自振周期的同時還能有效地吸收地震的能量，從而達到減震的目的。

2)鉛芯橡膠支座能夠改善結(jié)構(gòu)在地震作用下的影響，減小上部結(jié)構(gòu)傳給橋墩的力。在固定墩處盆式支座受力明顯大于鉛芯橡膠支座，彎矩約為鉛芯橡膠支座受力的4.9倍、剪力約為5.1倍。順橋向在固定墩處彎矩、剪力減小約80%，軸力減小36%，在非固定墩彎矩增加60%～70%，剪力增加50%～65%，軸力減小12%～37%。橫橋向在全墩均減小，彎矩減小67%～76%，剪力減小65%～76%，軸力減小16%～36%。

3)主梁梁端位移，鉛芯支座大于盆式支座。主梁左右兩端位移在橫橋向平均增加約200%；順橋向平均增加約20%。

基于以上的分析，鉛芯橡膠減隔震支座能有效改善連續(xù)梁橋各墩的受力狀況，隔震效果明顯。在高烈度區(qū)的連續(xù)梁橋建議優(yōu)先采用鉛芯橡膠支座。

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