高烈度地區(qū)連續(xù)梁橋的減隔震動(dòng)力分析研究

白廣前

(新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000)

橋梁作為交通運(yùn)輸體系的中心樞紐環(huán)節(jié)， 在整個(gè)交通路網(wǎng)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。 如何保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震力作用下的安全及正常使用， 已經(jīng)成為當(dāng)今地震研究的一個(gè)重要課題。 中國(guó)在橋梁工程領(lǐng)域的抗震、減震及隔震工作取得了較大的突破與進(jìn)展［1-2］。 針對(duì)連續(xù)梁橋抗震減震措施，相關(guān)研究表明：采用減隔震支座裝置具有一定的減隔震效果。 基于此，本文以新疆地區(qū)某連續(xù)梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例，應(yīng)用有限元軟件Midas Civil 建立計(jì)算模型，通過(guò)非線性時(shí)程分析方法， 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性的地震響應(yīng)分析研究［3］，以期為連續(xù)梁橋的橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

以新疆地區(qū)某4×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T 梁橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行模擬分析，橋梁全長(zhǎng)160 m。 上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，1～5 號(hào)橋墩采用雙柱式橋墩，其中橋墩編號(hào)從左往右依次增大，樁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面凈寬：2×14.75 m。其布置形式為：250(人行道)+50(防撞護(hù)欄)+1100(車行道)+50(防撞護(hù)欄)+50(中央分隔帶)+50(防撞護(hù)欄)+1100(車行道)+50(防撞護(hù)欄)+250(人行道)=2950 cm，橋型布置如圖1 所示。 為更加科學(xué)安全、合理經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)， 特選取該連續(xù)梁橋的左半幅進(jìn)行詳細(xì)的減隔震動(dòng)力時(shí)程分析， 并以此作為該橋抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2 模型建立

2.1 連續(xù)梁橋有限元模型

圖1 橋型布置

采用有限元軟件Midas Civil 建立(4×40)m 預(yù)制T 梁橋全橋空間有限元計(jì)算分析模型。 主梁和橋墩均采用三維梁?jiǎn)卧?，二期恒載作為梁?jiǎn)卧郊淤|(zhì)量，并建立樁基模型[2]。 結(jié)構(gòu)三維模型如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型圖

結(jié)構(gòu)的約束條件為： 通過(guò)采用表征土介質(zhì)彈性值的“m”法參數(shù)計(jì)算的等代土彈簧剛度模擬樁土作用，樁底固結(jié)；主梁與橋墩根據(jù)實(shí)際支座類型建立非線性連接。坐標(biāo)系采用世界坐標(biāo)系，即順橋向?yàn)閄 軸，橫橋向?yàn)閅 軸，豎向?yàn)閆 軸。

2.2 隔震橡膠支座模型

(1)HDR 高阻尼隔震橡膠支座可簡(jiǎn)化為雙線性恢復(fù)力力學(xué)模型，如圖3 所示。

圖3 HDR 固定型支座雙線性恢復(fù)力力學(xué)模型

圖中：K1為屈服前剛 度，K2為屈服后剛度，Sy為屈服位移量，Sd為設(shè)計(jì)阻尼位移，F(xiàn)y為屈服力，F(xiàn)d為設(shè)計(jì)阻尼力［3］。 隔震橡膠支座的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隔震橡膠支座計(jì)算參數(shù)

3 減隔震動(dòng)力分析及驗(yàn)算

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)中的相關(guān)規(guī)定， 減隔震橋梁抗震分析可以采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，通常情況下，宜采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法。因此，本文采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行橋梁減隔震動(dòng)力分析［3］。

經(jīng)查閱本連續(xù)橋梁屬于B 類橋梁， 基本地震動(dòng)峰值加速度為0.213 g，特征周期為0.45 s，II 類場(chǎng)地，場(chǎng)地系數(shù)為1.0，E1 地震抗震重要性系數(shù)為0.5，E2 地震抗震重要性系數(shù)為1.7。

3.1 支座厚度驗(yàn)算及分析

由于《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)第10.4.2 條規(guī)定了減隔震裝置的驗(yàn)算要求： 對(duì)于橡膠型減隔震裝置， 在E1 作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變應(yīng)小于100%， 在E2 地震作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變應(yīng)小于250%，并驗(yàn)算其穩(wěn)定性。表2 列出了HDR 隔震支座狀態(tài)的支座位移驗(yàn)算結(jié)果，表3 列出了HDR 隔震支座狀態(tài)的支座抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果。

表2 E2 地震+永久作用效應(yīng)組合下支座位移驗(yàn)算

表3 E2 地震+永久作用效應(yīng)組合下支座抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

通過(guò)表2～3 可以看出，在E2 地震下支座的計(jì)算位移小于HDR 高阻尼隔震橡膠支座的容許地震位移，且有一定富裕，支座滿足地震下位移和受力要求［3］。 同時(shí)，在E2地震下支座的水平地震力均小于HDR 高阻尼隔震橡膠支座的容許水平地震力，且有一定富裕，支座滿足地震下抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算要求。

3.2 墩柱強(qiáng)度分析及驗(yàn)算

在E1 地震作用下，墩柱應(yīng)處于彈性范圍內(nèi)，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的規(guī)定，順橋向和橫橋向E1 地震作用下效應(yīng)和永久作用效應(yīng)組合，應(yīng)驗(yàn)算橋墩的強(qiáng)度。表4 列出了HDR 隔震支座在E1 地震下墩柱截面抗彎承載能力驗(yàn)算。

表4 E1 地震+永久作用效應(yīng)組合下墩柱截面抗彎承載能力驗(yàn)算

在E2 地震作用下延性構(gòu)件(墩柱)可發(fā)生損傷，產(chǎn)生彈塑性變形，耗散地震能力，但延性構(gòu)件(墩柱)的塑性鉸區(qū)域應(yīng)具有足夠的塑性變形能力。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》第7.3.4 條和第7.4.6 條的規(guī)定，應(yīng)分別對(duì)墩柱塑性鉸區(qū)域斜截面抗剪強(qiáng)度與橋墩墩頂?shù)奈灰七M(jìn)行驗(yàn)算。表5～6 分別列出高阻尼HDR 隔震支座狀態(tài)在E2 地震作用效應(yīng)和永久作用效應(yīng)組合下墩柱塑性鉸區(qū)域斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算和橋墩墩頂位移驗(yàn)算［4-6］。

表5 E2 地震+永久作用效應(yīng)組合下墩柱抗剪驗(yàn)算

表6 E2 地震+永久作用效應(yīng)組合下墩頂位移驗(yàn)算

通過(guò)表4～6 可以看出采用HDR 高阻尼支座狀態(tài)：E1地震作用下，全橋橋墩計(jì)算彎矩小于初始屈服彎矩，橋墩截面處于彈性狀態(tài)；E2 地震作用下， 墩柱塑性鉸區(qū)域斜截面剪力值小于墩柱截面剪力容許值， 墩柱斜截面抗剪能力儲(chǔ)備較大，墩頂順橋向位移小于容許位移值，墩頂位移安全較大［6］。 因此，橋墩墩身滿足地震下受力要求。

3.3 樁基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算

大量試算表明： 恒載和地震的最不利組合是恒載和地震組合軸力的最小值控制驗(yàn)算，基于此，采用恒載和地震組合軸力的最小值進(jìn)行初始屈服彎矩的計(jì)算。 輔助墩、引橋墩下的樁身截面直徑為2.0 m，計(jì)算結(jié)果列于表7～8。

表7 E1 地震作用下引橋墩下樁身截面抗震驗(yàn)算

表8 E2 地震作用下引橋墩下樁身截面抗震驗(yàn)算

由表7～8 可知，減、隔震后E1 地震作用下樁身最不利截面的地震彎矩小于初始屈服彎矩， 表明樁身截面處彈性工作狀態(tài)， 滿足相應(yīng)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；E2 地震作用下樁身最不利截面的地震彎矩大于其初始屈服彎矩小于等效屈服彎矩， 表明樁身截面部分鋼筋屈服但整體處于彈塑性狀態(tài)，滿足樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)防目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 連續(xù)梁橋通過(guò)采用HDR 高阻尼隔震橡膠支座可以有效地隔離上下部的地震力，讓中墩參與協(xié)同抗震，使得每個(gè)橋墩縱向和橫向承受的地震力較為均勻， 內(nèi)力最大峰值顯著減小，取得了優(yōu)異的減隔震效果。

(2)采用高阻尼橡膠支座之后，墩柱在E1 地震作用下計(jì)算彎矩均小于初始屈服彎矩， 橋墩截面處于彈性狀態(tài)；墩頂位移較小，墩頂位移安全度較大，墩柱抗剪能力儲(chǔ)備較高，樁基礎(chǔ)在E2 地震作用下均滿足能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)要求，取得了良好的抗震效果。

(3)盡管有限元軟件作為分析輔助工具，可便于模擬橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力與位移情況， 但是地震的發(fā)生是瞬時(shí)的， 橋梁結(jié)構(gòu)在地震的作用下反應(yīng)也是非常復(fù)雜的。因此，如果想更好地研究橋梁結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中受力情況， 單純的過(guò)有限元軟件來(lái)模擬分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須結(jié)合實(shí)際工程情況進(jìn)行綜合計(jì)算分析，才能得到橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力與位移情況。