鉛芯橡膠支座在曲線箱梁橋的適用性研究

凌 意周 康

（1、2貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 550081）

鉛芯橡膠支座在曲線箱梁橋的適用性研究

凌 意1周 康2

（1、2貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 550081）

本文以一座城市立交匝道橋為背景，以墩底內(nèi)力和聯(lián)間梁端相對位移為評價指標(biāo)，對鉛芯橡膠減隔震支座在曲線箱梁橋中的適用性展開研究，結(jié)果表明，鉛芯橡膠支座能大幅降低橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時該支座能讓各橋墩更好地共同工作,減小聯(lián)間梁端的順橋向相對位移。鉛芯橡膠隔震支座的屈服力及硬化比參數(shù)對墩底內(nèi)力隔震效果影響顯著。

曲線鋼箱梁橋；時程分析；鉛芯橡膠支座；地震響應(yīng)

1.引言

支座減隔震是有效減小曲線橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的方法之一。目前，常見的減隔震支座包括板式橡膠支座、高阻尼隔震橡膠支座[1]、鉛芯橡膠支座、摩擦擺隔震支座等。其中鉛芯橡膠支座具有隔震效果好、維修和可更換性能優(yōu)異等優(yōu)點，本文主要研究鉛芯橡膠支座的隔震效果及其支座參數(shù)的敏感性。

2.工程背景及計算模型

本文選取一三聯(lián)八跨立交匝道為工程背景，其跨徑組合為(3×20m)混凝土箱梁+(40m+36.5m)連續(xù)鋼箱梁+(3×20m)混凝土箱梁，總計196.5m。截面為單箱單室，全寬8.7m，混凝土箱梁梁高為1.6m，鋼箱梁梁高為1.8m，曲線半徑為145m。橋墩采用獨墩雙支座，支座間距為3m，沿結(jié)構(gòu)中心線對稱布置，墩高在14.1～15.3m之間，墩號沿里程前進(jìn)方向順序為21-29號。橋址處抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度0.20g，工程場地類別為II類，該橋抗震設(shè)防分類為乙類，加速度反應(yīng)譜特征周期為0.40s。

本文采用MIDAS/CIVIL分別建立設(shè)普通盆式橡膠支座和鉛芯橡膠支座的全橋三維有限元模型。主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬，鉛芯橡膠支座采用“橡膠隔震裝置模擬”；盆式橡膠支座采用彈性連接模擬。

圖1 盆式橡膠支座布置方式

減隔震支座型號根據(jù)反力計算結(jié)果選擇。盆式橡膠支座有固定支座、單向活動支座、雙向活動支座之分，支座及橋墩布置見圖1。鉛芯橡膠支座無固定支座與滑動支座之分，其支座參數(shù)選擇見表1。

表1 鉛芯橡膠支座參數(shù)一覽表

3.動力分析

3.1動力分析方法

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTGT B02—01—2008）和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[2~3]橋梁動力分析方法有反應(yīng)譜、時程分析兩種方法。結(jié)合場地情況和規(guī)范，本文采用非線性時程分析方法來計算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。由于缺少當(dāng)?shù)貙崪y地震波數(shù)據(jù)，本文根據(jù)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)，采用綜合調(diào)整法，使采用的地震波滿足地震動頻譜特性、有效峰值以及地震波的持續(xù)時間3個基本選波條件。選取的地震波見表2，地震波計算持續(xù)時間取40s，時間步長為0.02s。

表2 地震波參數(shù)

3.2地震輸入工況

曲線梁橋地震響應(yīng)計算存在最不利輸入方向問題[4]，《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定可沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進(jìn)行多方向地震輸入。本文經(jīng)過試算，當(dāng)激勵方向沿著25號墩的徑向時，橋墩的橫橋向內(nèi)力及橫橋向聯(lián)間梁端相對位移有最不利值，因此選擇此方向作為地震波的最不利激勵方向。

4.地震響應(yīng)計算及分析

4.1橋墩內(nèi)力

鉛芯橡膠支座的隔震效果采用隔震率[5]指標(biāo)體現(xiàn)，其具體計算公式為

式中：R為減震后內(nèi)力最大響應(yīng)，S為減震前（盆式橡膠支座）結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。

圖2 墩底彎矩My

圖3 墩底彎矩Mz

圖2 、圖3列出了盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座橋梁模型沿25號徑向、Tar_90_nor地震波作用下所有橋墩的墩底彎矩峰值。從圖中可以看出，在該波的E2時程下盆式橡膠支座下橋墩的內(nèi)力峰值過大，靠增加截面尺寸“硬扛”地震荷載是不經(jīng)濟(jì)甚至現(xiàn)實不可行的。減隔震支座的應(yīng)用能大幅降低各橋墩的內(nèi)力。使用鉛芯橡膠支座橫橋向、順橋向內(nèi)力減震率分別為67.4%~83.9%、5.8%~73.8%；鉛芯橡膠支座對橫橋向內(nèi)力隔震效果一致高于順橋向，而順橋向設(shè)固定支座的3個墩（23、25、27號）的減震率明顯高于其余橋墩。原因是設(shè)固定支座會增加支座的剛度，減小結(jié)構(gòu)的自振周期，且剛度越大，地震中該支座所在墩將分擔(dān)更多的荷載。同時，減隔震支座還能使各墩內(nèi)力趨于均勻，在設(shè)計上，這有利于橋墩截面尺寸的統(tǒng)一。對類似的小半徑曲線梁橋，鉛芯橡膠支座能起到良好的減隔震效果。

4.2梁端相對位移

考慮到本橋結(jié)構(gòu)近似對稱，鋼梁與混凝土梁之間梁端相對位移僅列出24號交接墩結(jié)果。表3列出了Tar_90_nor波作用下各支座模型24號交接墩位置處聯(lián)間梁端的相對順橋向位移和橫橋向錯動情況。

表3 各支座類型橋梁模型梁端相對位移 單位：cm

從表3可知，相比盆式橡膠支座橋梁模型，采用鉛芯橡膠支座能大幅減小交接墩處聯(lián)間的順橋向相對位移，但會帶來聯(lián)間橫橋向錯動。原因在于減隔震支座能延長結(jié)構(gòu)的自振周期，使混凝土梁和鋼梁在順橋向的振動更加協(xié)調(diào)；采用盆式橡膠支座的混凝土梁及鋼梁在24號位置橫橋向都設(shè)有固定支座，因而沒有橫橋向梁端錯動。

5.鉛芯橡膠減隔震支座參數(shù)分析

5.1硬化比

硬化比是屈服后剛度與彈性剛度的比值。本文鉛芯橡膠支座硬化比選擇了0.09、0.12、0.15、0.18、0.21五種。各參數(shù)模型在tar_90_nor波的E2時程沿25#徑向激勵下，23#、25#、27#墩底內(nèi)力峰值內(nèi)力變化規(guī)律如圖4所示。

5.2屈服力比值

屈服力是支座從彈性剛度進(jìn)入屈服剛度的臨界剪力?？紤]到本文鉛芯橡膠支座因型號差異而存在多個屈服力，文中以原支座屈服力（見表1）為準(zhǔn)，分別建立屈服力比值為原屈服力0.6、0.8、1、1.2、1.4的五種模型。各參數(shù)模型在tar_90_nor波的E2時程沿25#徑向激勵下，23#、25#、27#墩底內(nèi)力峰值內(nèi)力變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 23#、25#、27#墩底彎矩Mz圖5 23#、25#、27#墩底彎矩Mz

從圖4、圖5可以得出：隨著鉛芯橡膠支座硬化比從0.09~0.21變化，23#、25#、27#墩底橫橋向內(nèi)力呈現(xiàn)出先減后增最后趨于平緩形的變化趨勢，25#墩底彎矩改變幅度最大，變幅為35.6%，因此選用硬化比為0.15時，能使23#、25#、27#墩墩底橫橋向彎矩更合理；隨著鉛芯橡膠支座屈服力比值從0.6~1.4變化，23#、25#、27#墩底橫橋向內(nèi)力呈現(xiàn)出先減后增再趨于平緩的變化趨勢，25#墩底彎矩改變幅度最大，變幅為40.5%；屈服力比值1時，能使23#、25#、27#墩墩底橫橋向彎矩更合理。

6.結(jié)論

1）對比盆式橡膠支座，鉛芯橡膠支座能大幅降低地震作用下橋墩墩底內(nèi)力及聯(lián)間梁端相對位移，使橋墩在地震中不至應(yīng)力過大而破壞，并能起到減小相鄰兩聯(lián)橋梁碰撞的作用。

2）鉛芯橡膠支座能協(xié)調(diào)各橋墩的共同工作，使各橋墩內(nèi)力均勻，這有利于設(shè)計中統(tǒng)一橋墩截面，對標(biāo)準(zhǔn)化施工同樣有利。

3）鉛芯橡膠支座的屈服力和硬化比參數(shù)對支座隔震效果的影響非常顯著，對本文背景工程而言，選用硬化比為0.15、屈服力比值為1的支座能達(dá)到良好的隔震效果。

4）鉛芯橡膠減隔震支座在正常使用過程中要經(jīng)受變形及疲勞的考驗，為避免支座疲勞破，設(shè)計中應(yīng)進(jìn)行驗算，當(dāng)應(yīng)力變化幅值大時，應(yīng)采取合理的措施以保證鉛芯橡膠支座正常工作。

[1]公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座：JT/T 842-2012[S].北京：人民交通出版社，2012

[2]城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范：CJJ 166—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

[3]公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則：JTG/TB02-01-2008[S]．北京:人民交通出版社，2008

[4]朱東生，勞遠(yuǎn)昌．橋梁地震反應(yīng)分析中輸入地震波的確定［J］．橋梁建設(shè)，2000，1-4

[5]王常峰.活動支座摩擦力對橋梁抗震性能的影響參數(shù)分析[J].世界地震工程，2005，82-87

U45

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1007-6344（2017）06-0041-02

1、凌意，2016年中南大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁系碩士畢業(yè)后從事橋梁設(shè)計及相關(guān)研究工作。2、周康，2013年合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院本科畢業(yè)后從事橋梁施工及設(shè)計工作。