城市曲線連續(xù)梁橋減隔振支座地震響應(yīng)分析

陳振宇（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710064）

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城市曲線連續(xù)梁橋減隔振支座地震響應(yīng)分析

陳振宇
（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710064）

文章選取某城市曲線連續(xù)梁橋兩聯(lián)作為研究對(duì)象，研究鉛芯橡膠支座對(duì)曲線橋的地震響應(yīng)；通過有限元軟件對(duì)某曲線連續(xù)梁橋進(jìn)行建模分析，并以不同曲率半徑的曲線梁橋進(jìn)行同等條件對(duì)比分析，得出分別采用板式橡膠支座與鉛芯橡膠支座的曲線橋在E2地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力非線性時(shí)程分析的規(guī)律。分析結(jié)果表明，采用鉛芯橡膠支座以后曲線橋的地震響應(yīng)在整個(gè)激勵(lì)過程中都顯得比較平穩(wěn)，無明顯的峰值出現(xiàn)，并且有效地均衡和分配了曲線橋各個(gè)位置的地震響應(yīng)。

鉛芯橡膠支座；曲線連續(xù)梁；非線性分析；地震響應(yīng)分析；減隔振

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，人口逐漸向城市集中，而在世界上幾次破壞性比較大的地震都發(fā)生在城市附近，所以城市防災(zāi)減災(zāi)也顯得愈發(fā)重要。在城市防災(zāi)減災(zāi)的研究中，橋梁工程是具有重要意義的生命線工程。在地震發(fā)生期間，橋梁的破壞不僅會(huì)影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和人們的正常生活，而且將嚴(yán)重地影響震后的抗震救災(zāi)工作，使群眾不能及時(shí)地疏散，并且使救援人員和物資不能及時(shí)地到達(dá)災(zāi)區(qū)，從而加劇地震的次生災(zāi)害。近幾年來，隨著人們對(duì)城市防震減災(zāi)的重視，加速了減隔震措施的研究與應(yīng)用。

在橋梁與橋墩之間的支座部位設(shè)置減、隔震支座，以耗散地震的能量，使震后的橋梁整體不會(huì)倒塌，從而方便地震后的修復(fù)。

1　普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1普通橡膠支座（NRB）

普通橡膠支座嚴(yán)格意義上講它不屬于隔震支座，應(yīng)該屬于水平力分散型支座，它主要是將地震力大致均勻地分散到每一跨橋墩上，避免橋墩上地震力集中。在橋梁動(dòng)力分析中，其恢復(fù)力模型基本上是采用線性彈性模型，不考慮其阻尼性能［1］。

1.2鉛芯橡膠隔振支座（LRB）

鉛芯橡膠支座是在普通橡膠支座的中部圓形孔內(nèi)壓入鉛芯，以提高普通橡膠支座的阻尼，由橡膠提供豎向支承和水平柔性，利用鉛芯的塑性變形來提供阻尼，吸收能量，因此同時(shí)具有降低結(jié)構(gòu)水平剛度和耗能的功能，在實(shí)際使用時(shí)可以節(jié)省空間，施工上也較為便利［2］。如圖1所示。

現(xiàn)有的鉛芯橡膠支座恢復(fù)力模型中，常見的有雙線性模型、修正雙線性模型、及雙線性+Ramberg-Osgood模型等［3］。雙線性恢復(fù)力模型是假定橡膠支座為理想的彈性材料，鉛芯為理想的彈塑性材料，把鉛芯橡膠支座的恢復(fù)力模型視為雙線性。雙線性模型簡(jiǎn)單、計(jì)算較為方便。Skinner、Robinson研究指出采用雙線性恢復(fù)力模型進(jìn)行隔振計(jì)算，可以得到較為精確的近似結(jié)果。本文采用雙線性模型模擬鉛芯橡膠支座，如圖2所示。

圖1　圓形鉛芯橡膠支座

圖2　鉛芯橡膠支座的等價(jià)雙線模型

2　計(jì)算橋梁工程概況

某城市立交橋全橋共9聯(lián)，各聯(lián)跨徑組成為：2× （3×25）m（第1～第2聯(lián)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁）+（35+36.6）m（第3聯(lián)連續(xù)鋼箱梁）+（25+27+25）m（第4聯(lián)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁）+5×（3×25）m（第5～第9聯(lián)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁）；下部采用柱式墩及薄壁臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)荷載城市-A 級(jí)，掛-120 驗(yàn)算。 計(jì)算行車速度40 km/m。橋面寬度為0.25 m（護(hù)欄）+2.75 m（人行道）+4 m（非機(jī)動(dòng)車道）+7.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）。抗震設(shè)防烈度為8°，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g。

3　有限元模型建立及分析

本文選取該立交橋第4聯(lián)和第5聯(lián)進(jìn)行分析，橋梁平面圖與支座布置情況如圖3所示，橋梁曲率半徑為217.8 m，運(yùn)用Midas Civil建立兩類動(dòng)力分析模型，對(duì)有減隔振措施的采用鉛芯橡膠隔振支座，無減隔振措施的采用普通橡膠支座，在建模時(shí)，考慮樁土效應(yīng)對(duì)橋梁的減隔振效果影響，其他各構(gòu)件截面特性、連接方式及邊界條件均按實(shí)際情況確定，從而較為真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)。通過非線性時(shí)程反應(yīng)分析，對(duì)比兩種支座模型對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響。

圖3　橋梁平面布置圖（單位：m）

3.1時(shí)程地震波的輸入

按照規(guī)定選取的地震波時(shí)程曲線時(shí)，為使之與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相協(xié)調(diào)，必須對(duì)地震波的加速度峰值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，所以峰值的調(diào)整可以通過地震記錄乘以放大系數(shù)來實(shí)現(xiàn)［4］。本文中橋梁位于二類場(chǎng)地土，重點(diǎn)研究不同支座對(duì)隔振性能的影響，選取1 940，El Centro，270 Deg作為輸入地震波，調(diào)幅到0.4 g，如圖4所示。

圖4　El Centro地震波

3.2鉛芯橡膠支座的隔震效果分析

3.2.1橡膠支座的數(shù)值模擬

該分析橋梁1#、4#、7#墩為設(shè)帶蓋梁的雙柱墩，2#、3#、5#、6#墩為雙柱墩。在無減隔振措施的橋梁模型中，蓋梁上采用型號(hào)為GYZD550×150的支座，雙柱墩上支座型號(hào)為GYZD800×194，都為圓形板式橡膠支座。有減隔振措施的橋梁模型中，蓋梁上采用型號(hào)為Q4Y670×196的支座雙柱墩，上支座型號(hào)為Q4Y820×183，均為圓形鉛芯橡膠支座。支座參數(shù)如表1、表2所示。

表1　橋梁板式橡膠支座參數(shù)表 kN/m

表2　橋梁鉛芯橡膠支座參數(shù)表

3.2.2不同支座動(dòng)力非線性時(shí)程分析結(jié)果比較

4#墩底隔振前后的徑向剪力時(shí)程比較如圖5所示，曲線橋各外側(cè)橋墩墩頂?shù)牡卣痦憫?yīng)位移峰值的比較如圖6、圖7所示，曲線橋各外側(cè)橋墩墩底的地震響應(yīng)內(nèi)力峰值的比較如圖8所示。采用不同支座類型下4#墩柱底響應(yīng)結(jié)果對(duì)比如表3所示。4#墩處鉛芯橡膠支座的實(shí)際剪力-位移滯回曲線如圖9所示。

圖5　4#墩底部徑向剪力時(shí)程曲線

圖6　外側(cè)墩頂切向位移

圖7　外側(cè)墩頂徑向位移

從圖5可以看出：換用鉛芯橡膠支座以后，剪力時(shí)程曲線峰值顯著小于隔震前的剪力時(shí)程；在整個(gè)地震激勵(lì)過程中，其時(shí)程曲線變化比較平緩，且表現(xiàn)出明顯的簡(jiǎn)諧波振動(dòng)特性，沒有出現(xiàn)顯著的峰值響應(yīng)?？梢?，在整個(gè)地震激勵(lì)過程中，LRB支座都能較好地控制曲線橋的地震響應(yīng)，將其控制在較低的水平下，且地震響應(yīng)呈現(xiàn)出比較規(guī)律的變化。

3.2.3不同曲率半徑下隔振支座動(dòng)力非線性時(shí)程分析結(jié)果比較

由于曲率半徑對(duì)曲線梁橋受力影響較大，再對(duì)半徑分別為300 m和100 m而其余條件相同的曲線梁橋的情況加以數(shù)值模擬分析，不同曲率半徑下橋墩的墩底內(nèi)力對(duì)比分析如圖10～圖13、表4和表5所示。

圖8　外側(cè)墩底地震響應(yīng)內(nèi)力峰值比較

從以上圖表分析可知：

（1）采用鉛芯橡膠支座以后，橋梁下部結(jié)構(gòu)在地震響應(yīng)中墩頂位移和墩底的內(nèi)力都有顯著地減小。

（2）曲線橋采用普通板式橡膠支座，墩底的剪力和彎矩都比較大，而采用鉛芯橡膠支座后墩底的剪力和彎矩明顯減小，隔振效果明顯。

（3）隔振后，各部位的位移與內(nèi)力的地震響應(yīng)變得比較均衡，差距減小。這說明 LRB 支座重新調(diào)整了各墩內(nèi)力的分布，使得各墩的內(nèi)力分布更加合理，改善了曲線橋各部位的受力。

表3　不同支座類型4#墩柱底響應(yīng)結(jié)果對(duì)比表

圖9　4#墩處鉛芯橡膠支座剪力-位移滯回曲線

圖10　半徑為300 m外側(cè)墩底徑向彎矩

圖11　半徑為300 m外側(cè)墩底徑向剪力

圖12　半徑為100 m外側(cè)墩底徑向彎矩

圖13　半徑為100 m外側(cè)墩底徑向剪力

表4　不同曲率半徑不同支座類型4#墩柱底彎矩結(jié)果對(duì)比表

表5　不同曲率半徑不同支座類型4#墩柱底剪力結(jié)果對(duì)比表

滯回環(huán)的面積大小象征該支座在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)內(nèi)所耗散的能量的多少，面積大消耗能量就大［5］。從圖10可以看出：鉛芯橡膠支座充分地發(fā)揮了隔振的特性，在地震中起到了耗散地震能量，減小地震響應(yīng)的作用。

4　結(jié)論

（1）采用鉛芯橡膠支座以后，曲線橋的地震響應(yīng)在整個(gè)激勵(lì)過程中都顯得平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的峰值，LRB支座較好地控制住了曲線橋在地震過程中的響應(yīng)。

（2）采用鉛芯橡膠支座以后，橋梁下部結(jié)構(gòu)在地震響應(yīng)中墩頂位移和墩底的內(nèi)力都顯著地減小，支座產(chǎn)生大位移并能復(fù)位，從而耗散了地震的能量，地震后鉛芯橡膠支座可能損害，但橋梁整體不會(huì)倒塌，地震后的修復(fù)工作相對(duì)比較容易，必要時(shí)可以更換支座。

（3）針對(duì)該類較小半徑的曲線連續(xù)梁橋采用鉛芯橡膠支座后，與使用普通板式橡膠支座相比，在橫橋向內(nèi)外墩柱之間的地震響應(yīng)的影響不大，在縱方向各部位的位移與內(nèi)力的地震響應(yīng)變得比較均衡，即LRB支座對(duì)橫橋向內(nèi)力的分布基本無影響，但重新調(diào)整了縱橋向各墩之間內(nèi)力的分布，使得縱向各墩之間的內(nèi)力分布更加合理，改善了曲線橋各部位的受力。

［1］JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JT/T 822—2011公路橋梁鉛芯橡膠支座［S］.

［3］瀨戶裕，竹中康雄.修正雙線性模型表現(xiàn)隔震裝置兩方向非線性模型的延伸［C］∥日本建筑學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集.東京：日本建筑學(xué)會(huì)，1996：805-806.

［4］JTGTB02-01—2008公路橋梁抗震細(xì)則［S］.

［5］何文福，劉文光.鉛芯橡膠支座滯回曲線的扁環(huán)現(xiàn)象及其恢復(fù)力模型［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2006（4）：71-74.

Seismic Response Analysis of Seismic Isolation Bearing of Urban Curved Continuous Beam Bridge

Chen Zhenyu
（Chang'an University，Xi'an710064， China）

Taking some urban curved continuous beam bridge as the research object， this paper studied the seismic response of the curved bridge with the lead rubber bearing. It analyzed the modeling of the curved beam bridge created by finite element software， and obtained the law of nonlinear time history analysis of the bridge using the rubber bearing and the lead rubber bearing under the E2 seismic effect. The results showed that the seismic response of the curved bridge with the lead rubber bearing was very stable， without obvious peak in the whole process， and the LRB could balance and distribute effectively the seismic response of each position of the curved bridge.

lead rubber bearing； curved continuous beam； nonlinear analysis； seismic response analysis； seismic mitigation and isolation

U443.36

A

1672-9889（2016）02-0037-04

陳振宇（1989-），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道工程。

（2015-07-04）