采用不同支座的橋梁地震反應(yīng)對(duì)比分析

葉龍飛

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

采用不同支座的橋梁地震反應(yīng)對(duì)比分析

葉龍飛

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

在E2地震作用下，分別對(duì)采用高阻尼橡膠支座與普通支座的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析,對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期及橋墩墩底內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明，采用高阻尼橡膠支座能使結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng),增加耗能時(shí)間,減震效果明顯。

高阻尼橡膠支座；非線性時(shí)程分析；連續(xù)箱梁；地震反應(yīng)；減隔震

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,不僅需要滿足日益嚴(yán)格的安全性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求,同時(shí)須滿足美觀大方的審美要求,因此進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)受限因素較多。若完全采用結(jié)構(gòu)抗震型設(shè)計(jì),橋墩及結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)較大,且配筋增多,這不僅會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，還勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)橋梁的美學(xué)造型和凈空要求,以至難以滿足整體設(shè)計(jì)要求。因此,橋梁設(shè)計(jì)迫切需要采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù),通過(guò)應(yīng)用隔震效果好、尺寸較小的減隔震裝置(支座)解決上述難題,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),確保工程項(xiàng)目的安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、環(huán)保、耐久。

地震反應(yīng)分析是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容和依據(jù)。結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)是一種隨機(jī)振動(dòng),其求解非常復(fù)雜。早期地震反應(yīng)分析主要采用簡(jiǎn)化的靜力法,20世紀(jì)50年代后發(fā)展為動(dòng)力法的彈性反應(yīng)譜理論,20世紀(jì)60年代后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,則開始對(duì)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震時(shí)程反應(yīng)分析[1-2]。下文擬通過(guò)工程實(shí)例,對(duì)采用高阻尼橡膠支座與普通支座的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析,以確定滿足整體設(shè)計(jì)要求的支座方案。

1 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

某工程橋梁全長(zhǎng)100 m,跨徑布置為4×25 m。橋梁全寬33.3 m,采用雙幅橋進(jìn)行設(shè)計(jì),單幅橋?qū)?6.65 m,橋面凈寬15.65 m。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(先簡(jiǎn)支后連續(xù)),單幅橋由5片預(yù)制箱梁組成,預(yù)支梁高1.4 m,梁距3.34 m。預(yù)制梁頂設(shè)置8 cm厚C50混凝土現(xiàn)澆層,橋面鋪裝10 cm瀝青混凝土。橋型布置如圖1所示。0#、4#臺(tái)為三柱式臺(tái),柱距為5.7 m。1#～3#橋墩采用雙柱式,墩柱距9.25 m,樁接柱,柱徑為1.4 m,樁徑1.5 m。

圖1 橋型布置

擬建場(chǎng)地地形起伏較大,地貌較為復(fù)雜,為Ⅱ類場(chǎng)地。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》,橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.4 s(地震基本烈度8度)。橋梁屬B類橋梁,需按提高一級(jí)抗震設(shè)防。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)確定

根據(jù)本工程地震烈度和場(chǎng)地土類別，采用和場(chǎng)址場(chǎng)地土條件相近的天然地震波，經(jīng)調(diào)整得到和設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜兼容的一組地震波[3-4],B類橋梁E1地震下抗震重要性系數(shù)取0.5、E2地震下抗震重要性系數(shù)取1.7[5]。計(jì)算采用的地震動(dòng)時(shí)程如圖2所示。

圖2 E2地震X、Y方向加速度時(shí)程

結(jié)構(gòu)的約束條件為：采用表征土介質(zhì)彈性值的m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)[6];主梁與橋墩根據(jù)實(shí)際支座類型建立非線性連接。全橋單元采用梁?jiǎn)卧Ｐ?普通支座力學(xué)模型按《公路橋梁盆式橡膠支座》（JT/T 391-2009）規(guī)定進(jìn)行模擬。高阻尼隔震橡膠支座(HDR)固定型支座、滑板型恢復(fù)力力學(xué)模型詳見圖3～圖4,參數(shù)詳見表1。

圖3 HDR固定型支座雙線性恢復(fù)力力學(xué)模型

圖4 HDR滑板型支座雙線性恢復(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,Fy為屈服力，F(xiàn)d為設(shè)計(jì)阻尼力;K0為屈服前剛度,X0y為屈服位移,F0y為滑動(dòng)摩擦力。

表1 高阻尼隔震橡膠支座(HDR)計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比分析

根據(jù)建立的動(dòng)力計(jì)算模型，采用子空間迭代法分別求解橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。成橋階段前10階結(jié)構(gòu)自振周期詳見表2。

表2 自振周期對(duì)比s

由表2可以看出,采用高阻尼隔震橡膠支座可增大結(jié)構(gòu)自振周期、減小自振頻率,從而增加結(jié)構(gòu)耗能時(shí)間。

3.2 墩底彎矩對(duì)比

E2水準(zhǔn)下普通支座橋梁地震動(dòng)力時(shí)程分析墩底彎矩和HDR隔震橋梁地震動(dòng)力時(shí)程分析墩底彎矩對(duì)比如表3所示。

表3 墩底彎矩對(duì)比

由表3可知,采用普通支座時(shí),2#墩設(shè)置GD/DX固定支座，0#～1#、3#～4#墩臺(tái)設(shè)置DX/SX活動(dòng)支座。設(shè)置GD固定支座的2#墩承受的縱向地震力特別大,在E2水準(zhǔn)地震作用下,2#墩墩底最大順橋向彎矩是1#墩墩底的3.7倍。1#、3#墩墩底順橋向內(nèi)力減震率為負(fù),是因?yàn)榉歉粽馉顟B(tài)下,1#、3#墩順橋向設(shè)置活動(dòng)支座,E2水準(zhǔn)地震作用下所受的水平力為滑動(dòng)摩擦力。而采用HDR隔震狀態(tài)下,0#、4#橋墩頂設(shè)置HDR滑動(dòng)型支座,1#～3#橋墩頂設(shè)置HDR固定型支座，全橋協(xié)同抗震，1#、3#墩墩底和樁基順橋向內(nèi)力雖然會(huì)大一些,但整體地震力水平較低。因此采用HDR隔震支座的墩底受力與采用非隔震支座的狀態(tài)相比,減震效果明顯，墩底順橋向彎矩最大減震52%,墩底橫橋向彎矩最大減震58%。

4 結(jié)論

綜上所述,采用HDR系列高阻尼隔震橡膠支座后,在橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震層，地震時(shí)上下部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)隔離,不同步,通過(guò)隔震支座滯回耗能有效地減少了橋墩承受的彎矩和剪力,降低了墩頂縱橫向位移,取得了優(yōu)異的減隔震效果。通過(guò)合理的減隔震設(shè)計(jì),使得每個(gè)墩縱向和橫向承受的地震力較均勻,由原結(jié)構(gòu)的單墩抗震演變?yōu)槿珮驑蚨展餐拐?從而在保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全的同時(shí)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)尺寸。

[1]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[2]范立礎(chǔ),王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]王亞勇,程民憲,等.結(jié)構(gòu)抗震時(shí)程分析法輸入地震記錄的選擇方法及其應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),1992(5):3-7.

[4]王亞勇,劉小弟,等.建筑結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法輸入地震波的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1991,12(2):51-60.

[5]JTG/T B02-1-2008,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[6]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Comparative Analysis on Seismic Response of Bridges with Different Support

YE Longfei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Under the action of E2 seism,this paper makes a time-history response analysis on the structure of bridge respectively adopting high damping rubber support and common support,and has a comparative analysis on natural period of vibration of structure and internal force at the bottom of bridge pier.It is indicated from the results that adopting high damping rubber support will prolong the natural period of vibration,increase the period of energy consumption,and the vibration-suppressed effect is obviously good.

high damping rubber support;non-linear time history analysis;continuous box grider;seismic response;seismic isolation

U442.5+5

B

1004-4345(2014)03-0034-02

2013-11-04

葉龍飛(1980—),男,工程師,主要從事道路與橋梁設(shè)計(jì)工作。