土—結(jié)構(gòu)相互作用對隔震體系橋梁的影響

陳靜嫻

(赤峰中天建筑工程有限公司，內(nèi)蒙古赤峰 024076)

0 引言

隔震技術(shù)的有效性已經(jīng)被工程技術(shù)人員普遍認(rèn)識(shí)到，因此也越來越多的被應(yīng)用到橋梁設(shè)計(jì)中。橋梁屬于一種多支撐的空間結(jié)構(gòu)形式，在地震波的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)與周圍的場地共同振動(dòng)，因而在橋梁的地震響應(yīng)分析中應(yīng)當(dāng)考慮土—結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用效應(yīng)［1］。然而現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和抗震計(jì)算理論大都采用剛性地基的假定，即假定基于地震時(shí)建筑物基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)與其鄰近自由場地一致，故在理論分析中，通常忽略土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用。但是這樣的假定有著明顯的局限性，將引起橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理。因此，在研究橋梁的地震響應(yīng)規(guī)律時(shí)，關(guān)鍵是要分析清楚橋梁周圍場地的地震動(dòng)特性，即分析土—結(jié)構(gòu)相互作用對橋梁結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)影響。

土—結(jié)構(gòu)體系共同作用的問題主要表現(xiàn)在三個(gè)方面［2］:

1)影響上部結(jié)構(gòu)輸入地震動(dòng)特性;

2)影響結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)特性;

3)影響結(jié)構(gòu)鄰近土體的地震性能。

如果在橋梁結(jié)構(gòu)的基底設(shè)有隔震結(jié)構(gòu)，將使土—結(jié)構(gòu)相互作用的問題更加復(fù)雜。本文首先將考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用下的橋梁隔震體系簡化為力學(xué)計(jì)算模型并建立其運(yùn)動(dòng)方程，然后采用有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)考慮到土的材料非線性以及土—結(jié)構(gòu)的接觸非線性，進(jìn)而分析考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用對帶有鉛芯橡膠支座的橋梁隔震效果的影響。

1 土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析原理

結(jié)構(gòu)物與支撐其的地基是一個(gè)共同工作的整體系統(tǒng)，在地震作用下，其土與結(jié)構(gòu)在其接觸面有著特定的交聯(lián)關(guān)系，稱為相互作用［4］。土—結(jié)構(gòu)相互作用的實(shí)質(zhì)就是在地震作用下由于土體與建筑物基礎(chǔ)的材料差異引起了兩者變形能力的差異，這種差異使得在兩者的接觸面上產(chǎn)生了相互作用力，進(jìn)而產(chǎn)生了土與基礎(chǔ)以至結(jié)構(gòu)的相互作用。

土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問題首先要確定的是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力剛度矩陣。對于簡化的橋梁模型，可以將動(dòng)力學(xué)方程寫為［5］:

式中:X——橋梁結(jié)構(gòu)各單元相對地面運(yùn)動(dòng)的位移;

M——隔震橋梁體系的質(zhì)量矩陣;

C——隔震橋梁體系的阻尼矩陣;

K——隔震橋梁體系的剛度矩陣。

其中，M為第i個(gè)質(zhì)量集中點(diǎn)的質(zhì)量。

其中，Ki(i=1，2，…，n)為第 i個(gè)質(zhì)量集中點(diǎn)的剛度;Kn為橋墩隔震層剛度;Kn'為橋臺(tái)隔震層剛度。

阻尼矩陣C的確定，隔震橋梁體系下部結(jié)構(gòu)阻尼矩陣按照下式計(jì)算:

圖1 考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)計(jì)算模型

2 橋梁隔震體系的分析模型

2.1 橋梁模型［6］

采用隔震支座后，上部橋梁結(jié)構(gòu)可用線彈性模型加以描述，分析模型采用三維空間有限元模型。

2.2 隔震體系模型

本文中采用應(yīng)用最為廣泛的鉛芯橡膠支座［7］，其具有較好的滯回特性，初始剪切剛度可以達(dá)到普通疊層橡膠支座剛度10倍以上，而其剪切屈服后剛度接近于普通疊層橡膠支座的剛度。其力學(xué)模型采用等效雙線性恢復(fù)力模型，見圖2。

2.3 地基模型

本文采用ANSYS軟件中的DP材料作為土體的動(dòng)力本構(gòu)模型。DP材料模型的屈服準(zhǔn)則是Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，其流動(dòng)準(zhǔn)則可以在相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則和不相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則之中任選其一，由于其屈服面不隨材料的屈服而改變，因此沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則，但是，該材料的屈服強(qiáng)度與側(cè)限壓力成正比。DP材料模型屬于理想彈塑性模型。該模型可以考慮由屈服所引起的體積膨脹，但是不考慮溫度變化的影響［8］。

圖2 鉛芯疊層橡膠支座雙線性恢復(fù)力模型

3 分析模型

本文選用一三跨連續(xù)箱形梁橋，每跨跨度均為30 m，梁高為1.5 m，寬18 m，梁體采用 C40混凝土，密度為2 700 kg/m3，彈性模量 E=3.45e10 Pa，泊松比 γ =0.2。支撐體系采用1.2 m ×1.2 m的雙柱式矩形橋墩，橋墩橫向間距為4.8 m，采用C30混凝土，密度為 2 400 kg/m3，彈性模量 E=3.0e10 Pa，泊松比 γ =0.2。墩底采用剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。通過ANSYS軟件建立其三維有限元實(shí)體模型，梁體采用Solid45單元，墩柱采用Beam188單元，鉛芯橡膠支座采用Combin14和Combin40單元，Ⅱ類場地土采用D-P材料模型。建立的三維有限元實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 橋梁隔震體系三維有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

為了分析考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用對帶有鉛芯橡膠支座的橋梁隔震效果的影響，本文分別選用未隔震連續(xù)梁橋(S)、隔震連續(xù)梁橋(SG)和考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的隔震連續(xù)梁橋(SGI)，選用天津波作為對結(jié)構(gòu)的地震激勵(lì)。

1)圖4和圖5說明，帶有鉛芯橡膠支座的隔震橋梁體系的基本自振周期，相對于普通未隔震的橋梁有所延長，改變了橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，鉛芯橡膠支座消耗了振動(dòng)能量，減小了橋墩頂部的位移。在考慮了土—結(jié)構(gòu)相互作用后，在接觸面處的相互作用力又消耗了一部分振動(dòng)能量，進(jìn)一步延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，但是墩頂位移相比未考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的隔震橋梁體系稍有增加，說明地基土對支座的隔震效果有一定影響。

圖4 不同工況下2號(hào)墩墩頂位移時(shí)程曲線

2)圖6說明，隔震橋梁體系的梁體位移均高于普通未隔震橋梁的梁體位移，這是由于隔震支座發(fā)生屈服后會(huì)產(chǎn)生很大的滯回阻尼，導(dǎo)致隔震橋梁體系變?nèi)?，使得梁體位移加大，但是增加的梁體位移仍然在可以接受的范圍內(nèi)。在考慮了土—結(jié)構(gòu)相互作用后相當(dāng)于地基變?nèi)?，梁體位移相比未考慮相互作用時(shí)大，隔震支座的減震效果有所下降。

圖5 不同工況下的墩頂最大位移

圖6 不同工況下的橋梁結(jié)構(gòu)梁體位移時(shí)程曲線

3)圖7和圖8說明，在三種不同工況下的橋墩墩底剪力和彎矩都是未隔震橋梁最大，隔震橋梁最小，而考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的隔震橋梁介于兩者之間。這是由于在地震作用下，隔震支座吸收了部分地震的能量，從而減小了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。而在考慮了土—結(jié)構(gòu)相互作用后，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力并沒有比不考慮時(shí)有所減小，說明土的作用十分復(fù)雜，其對地震作用的影響并不只是簡單的吸收和過濾。

圖7 不同工況下的墩底最大剪力

圖8 不同工況下的墩底最大彎矩

5 結(jié)語

1)鉛芯橡膠支座能夠延長結(jié)構(gòu)的周期，消耗一部分地震能量，能有效的減小墩頂位移，雖然它使梁體位移有所增加，但仍在可控范圍內(nèi)。2)考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用后，橋梁整體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性發(fā)生了改變。3)考慮土—結(jié)構(gòu)的相互作用相對于未考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的隔震結(jié)構(gòu)，增加了墩頂位移和墩底剪力、墩底彎矩，所以地基土并不是簡單的吸收了地震波，而是對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜的影響。4)由于本文土體參數(shù)選擇的局限性，可能造成結(jié)果的特殊性。對于不同場地土與結(jié)構(gòu)相互作用的情況，由于土體的復(fù)雜性，不能認(rèn)定傳統(tǒng)方法中不考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用就是偏于安全的，此類問題還有待于進(jìn)一步研究。

［1］鄧曉紅.考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的橋墩抗震分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006.

［2］陳國興.土體—結(jié)構(gòu)體系地震性能的研究［J］.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(3):35-36.

［3］賀延鵬.地震作用下隔震梁橋體系動(dòng)力特性研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.

［4］王 健.考慮土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的基礎(chǔ)隔震研究［D］.天津:天津大學(xué)，2003.

［5］陳惠發(fā)，段 煉.橋梁工程抗震設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］葉愛君，范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［7］李建中，辛學(xué)忠.連續(xù)梁橋減震、隔震體系非線性地震反應(yīng)分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，1998，18(3):21-23.

［8］李 圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.