E型鋼阻尼支座在橋梁減震中的應(yīng)用

梁偉，李寧

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

5·12汶川地震以來(lái)橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)引起了人們的高度重視，目前提高橋梁抗震性能的方法主要有:①通過(guò)改善結(jié)構(gòu)自身的抗震性能(強(qiáng)度、剛度、延性)來(lái)減小地震危害;②對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制裝置，由控制裝置與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用。相對(duì)于第一種方法，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制裝置的方法將能更經(jīng)濟(jì)、有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

本文主要以建造在II類場(chǎng)地、8度地震烈度區(qū)廈門—深圳線的尚書特大橋?yàn)槔?，針?duì)其在設(shè)計(jì)地震烈度和罕遇地震烈度下，分別進(jìn)行了地震響應(yīng)時(shí)程分析;分析中分別就有無(wú)E型鋼阻尼支座的兩種工況進(jìn)行了討論。通過(guò)上述分析及討論，研究了減隔震技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用產(chǎn)生的效果。

1 E型鋼阻尼支座介紹

E型鋼阻尼支座(圖1所示)是在彈塑性鋼阻尼器的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型軟鋼支座。該支座將E型鋼阻尼器與普通支座整合到一起，使之兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用，并具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、外形美觀、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 E型鋼阻尼支座

E型鋼阻尼支座的力學(xué)機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)E型鋼塑性變形來(lái)消耗地震能量，其耗能的原理是利用具有低屈服點(diǎn)的金屬材料在發(fā)生塑性變形時(shí)不至發(fā)生應(yīng)變集中，并且屈服比越小，塑性區(qū)面積越大，地震時(shí)耗散能量越明顯。

2 分析模型的建立

尚書橋是簡(jiǎn)支梁橋，建立全橋模型似乎并不完全必要。為了達(dá)到本項(xiàng)研究的目的，同時(shí)節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，我們選取了一個(gè)具有不同墩高的4跨典型橋梁模型開展地震響應(yīng)分析。墩底的邊界條件為考慮墩土相互作用，地震荷載僅施加在橋的縱向。為了進(jìn)行時(shí)程分析，我們選用了El Centro地震波，同時(shí)考慮了兩種地震烈度對(duì)橋梁的作用:⑴設(shè)計(jì)地震烈度;⑵罕遇地震烈度。

2.1 工程實(shí)例

廈－深線尚書特大橋?qū)儆阡摻罨炷梁?jiǎn)支梁橋，由59跨組成，包括1×24 m和54×32 m簡(jiǎn)支梁及(40+2×56+40)m四跨連續(xù)梁。墩高從3 m至10 m不等，基礎(chǔ)由摩擦樁群組成。梁體截面為箱型梁，梁體由盆式支座支撐在墩上，一端是固定支座，另一端只允許梁體在橋的縱向發(fā)生位移。

2.2 有限元計(jì)算模型的建立

此橋全部采用梁?jiǎn)卧?，取全橋?、3、4、5跨進(jìn)行分析。4跨模型總共58個(gè)單元，其中主梁16個(gè)單元，墩及承臺(tái)26個(gè)單元，其余為支座連接單元和支座墊石單元。其中橋墩的編號(hào)從左到右依次為2#、3#、4#、5#和6#;主梁的編號(hào)從左到右依次為2#、3#、4#、5#(見圖2)。E型鋼阻尼支座模型在MIDAS里用一般連接模擬。在初始的地震響應(yīng)分析中，樁用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，樁基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的相互作用直接采用彈簧單元模擬。

圖2 有限元計(jì)算模型

3 地震記錄的選用

為了檢驗(yàn)近源地震波的影響，選取El Centro波，并根據(jù)尚書橋所在地理位置的場(chǎng)地類型按照規(guī)范的設(shè)計(jì)譜對(duì)其加以修正，使修正后的地震波生成的加速度反應(yīng)譜曲線與該地區(qū)的設(shè)計(jì)譜曲線達(dá)到基本相符合。根據(jù)規(guī)范查得尚書橋設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場(chǎng)地。按設(shè)計(jì)地震水平地震基本加速度為a=0.2g，修改的地震波記為修正的El Centro波。圖3顯示了修改后的El Centro波。圖4、圖5顯示了修正Elcentro波反應(yīng)譜與該地的設(shè)計(jì)譜的對(duì)比。

圖3 修正的Elcentro波

圖4 修正的Elcentro波生成的反應(yīng)譜

圖5 該地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)譜

由圖4、圖5對(duì)比可以看出，按場(chǎng)地類別及設(shè)計(jì)地震水平地震基本加速度值修正的地震波，得到的地震反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)譜基本吻合。因此經(jīng)修改后得到的地震波可作為尚書特大橋計(jì)算地震響應(yīng)的地震波。

4 計(jì)算結(jié)果和分析

4.1 計(jì)算理論

在本分析中，采用了時(shí)程分析方法，其控制動(dòng)力方程如下:

式中:［M］是質(zhì)量矩陣;［C］是阻尼矩陣;{F}是不平衡力矩陣;是地面加速度。在無(wú)E型鋼阻尼支座時(shí)，考慮橋梁的地震響應(yīng)為線彈性響應(yīng)，當(dāng)有E型鋼阻尼支座時(shí)，考慮橋梁的地震響應(yīng)為非線性響應(yīng)，但是非線性響應(yīng)僅來(lái)自于E型鋼阻尼支座。

在分析中，采用了集中質(zhì)量矩陣。阻尼直接采用了瑞利阻尼，如式(2)所示，式中α和β可由特征向量分析產(chǎn)生的頻率和模態(tài)阻尼確定。

式中:［M］是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;［K］是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;α為質(zhì)量因子;β為剛度因子。

式中:ξ為阻尼比;ωi與ωj分別為第i階和第j階模態(tài)的自振頻率。

4.2 有限元結(jié)果和分析

(1)限于篇幅僅列出橋梁布置E鋼阻尼支座的最大內(nèi)力(罕遇、設(shè)計(jì))，如圖6～圖9所示。

(2)以4號(hào)墩上的E型鋼阻尼支座為例，研究在受地震作用時(shí)阻尼支座的耗能特性。滯回曲線的面積表示支座內(nèi)力所做的功，即為耗散的地震能量。圖10、圖11顯示了E鋼阻尼支座良好的耗能特性。

(3)為了實(shí)際說(shuō)明E鋼阻尼支座的減震效果將墩底受力列于表1。

圖6 設(shè)計(jì)地震下的最大彎矩(kN·m)

圖7 設(shè)計(jì)地震下的最大剪力(kN)

圖8 罕遇地震下的最大彎矩(kN·m)

圖9 罕遇地震下的最大剪力(kN)

圖10 設(shè)計(jì)地震滯回曲線

注:6號(hào)墩未布置阻尼支座

圖11 罕遇地震滯回曲線

5 結(jié)論

從分析數(shù)據(jù)可以看出:

(1)E型鋼阻尼支座在縱橋向能有效地減小橋墩的彎矩，最大能夠減小約50%;對(duì)于墩的最大剪力而言，雖然E型鋼阻尼支座也能有效降低剪力，但效果不明顯。

(2)E型鋼阻尼支座適合于不同高度的橋墩。且無(wú)論是設(shè)計(jì)地震還是罕遇地震，E型鋼阻尼支座都能夠發(fā)揮良好的減震效果。

(3)E型鋼阻尼支座的滯回曲線顯示了它良好的耗能作用，且越是大的地震力作用，耗能效果體現(xiàn)的越明顯。

(4)在不同烈度區(qū)，不同場(chǎng)地對(duì)尚書橋進(jìn)行計(jì)算分析(數(shù)據(jù)限于篇幅本文未列出)，E鋼阻尼同樣有良好的減震耗能效果。

［1］周云，宗蘭．土木工程抗震設(shè)計(jì)［M］．北京:科學(xué)出版社，2003

［2］彭俊生，羅永坤．結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2005