大跨連續(xù)梁橋樁基礎(chǔ)的減隔震分析

郭紅梅，周 燕，張 凱，李 宇

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津市賽英工程建設(shè)咨詢管理有限公司，天津 300191；4.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

大跨連續(xù)梁橋樁基礎(chǔ)的減隔震分析

郭紅梅1，2，周 燕1，2，張 凱3，李 宇4

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津市賽英工程建設(shè)咨詢管理有限公司，天津 300191；4.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

以中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋?yàn)楸尘埃捎勉U芯橡膠支座代替普通支座，建立了隔震和非隔震連續(xù)梁橋有限元模型.并通過選取合理強(qiáng)震記錄作為地震輸入，研究了鉛芯橡膠支座對(duì)大跨連續(xù)梁橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的影響，從中可知：(1)鉛芯橡膠支座可使樁基頂部的彎矩和剪力明顯減少，進(jìn)而保證地震作用下樁基的安全；(2)鉛芯橡膠支座使剪力和彎矩在不同橋墩間的分配趨于均勻，在使用相同樁基的情況下，減少了強(qiáng)度的浪費(fèi).可見，鉛芯橡膠支座可改善樁基受力，并可優(yōu)化樁基設(shè)計(jì).

梁式橋；鉛芯橡膠支座；減隔震設(shè)計(jì)；彈塑性位移；非線性分析

0 引言

近年來，結(jié)構(gòu)的減隔震研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，許多已建成的橋梁結(jié)構(gòu)都采用了減隔震技術(shù).國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉛芯橡膠支座(LRB)進(jìn)行了廣泛的研究.Tsai H C等[1]研究了LRB非線性隔震結(jié)構(gòu)的基于反應(yīng)譜的地震反應(yīng)分析；Hwang J S等[2-4]對(duì)LRB 隔震橋梁的等效線性化設(shè)計(jì)方法及隔震橋梁的等效阻尼比進(jìn)行究；Turkington等[5]提出了一個(gè)等效的LRB支座剛度和阻尼的線性設(shè)計(jì)曲線，使用單自由度系統(tǒng)分析了2個(gè)4跨橋梁在不同墩、臺(tái)和支座排列情況的地震響應(yīng)，并根據(jù)對(duì)參數(shù)的研究提出了關(guān)于響應(yīng)譜分析的設(shè)計(jì)方法；Ramallo J C等[6]使用一個(gè)兩自由度系統(tǒng)對(duì)LRB支座的抗震性能進(jìn)行研究；Hwang J S等[7]在美國AASHTO規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)LRB支座提出了一個(gè)等效剛度和等效阻尼的線性公式，用于單自由度的譜分析.在實(shí)際應(yīng)用方面，1983年新西蘭就提出了橋梁隔震設(shè)計(jì)和地震響應(yīng)分析規(guī)范(NZMWD規(guī)范)；1992年美國提出了關(guān)于隔震設(shè)計(jì)的AASHT規(guī)范；日本在很多的橋梁中已經(jīng)開始使用了隔震設(shè)計(jì)[8].Jangid R S[9]均指出，使用等效的單自由度線性系統(tǒng)分析會(huì)有較大的誤差，而使用多自由度系統(tǒng)，考慮LRB的非線性特性，研究分析支座對(duì)橋梁的隔震效果很有必要.中國在橋梁隔震設(shè)計(jì)研究起步較晚，同濟(jì)大學(xué)的范立礎(chǔ)等[10]對(duì)橋梁的隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究.陳水生[11-12]也對(duì)高架橋梁的地震響應(yīng)控制進(jìn)行了研究.王麗等[13]對(duì)LRB隔震橋梁的減震效果進(jìn)行了研究，分別采用非線性水平和轉(zhuǎn)動(dòng)彈單元來模擬減隔震支座和橋墩延性鉸的非線性性能，首次把支座和橋梁結(jié)構(gòu)納入一個(gè)系統(tǒng)中，并考慮其相互影響和相互作用.

雖然上述學(xué)者對(duì)LRB對(duì)橋梁橋地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了大量的研究，但他們的研究主要都是集中在上部結(jié)構(gòu)或者橋墩，而鮮有文獻(xiàn)提及LRB對(duì)橋梁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的影響，因此筆者以兩座特大連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了LRB對(duì)大跨連續(xù)梁橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的影響.

1 工程概況

筆者以中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，以研究LRB對(duì)大跨連續(xù)梁橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的影響.如圖1(a)所示，S202線中寧黃河公路大橋，主橋采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁式橋，跨徑組合為(40+8×80+40)m，長度為720 m.主墩墩身左右分幅設(shè)置，六邊形實(shí)心結(jié)構(gòu).墩身順橋向?yàn)? m，橫橋向?yàn)?0.65 m，墩頂設(shè)支座.中墩設(shè)8Φ1.8 m樁基，邊墩設(shè)2Φ1.8 m樁基. 如圖1(b)所示，S202線中衛(wèi)黃河公路大橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為(60+6×90+60)m，主橋長度為660 m.主墩墩身采用實(shí)體矩形墩，順橋向尺寸3 m，橫橋向尺寸17.1 m，橋墩兩側(cè)設(shè)置破冰棱，主墩墩身下接承臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)置11根Φ1.8 m樁基.過渡墩墩身采用實(shí)體矩形墩，順橋向尺寸2 m，橫橋向尺寸16.3 m，承臺(tái)下設(shè)置8根Φ1.7 m樁基.

圖1 橋型布置圖Fig.1 Layout of bridges

根據(jù)中國地震局GB 18306—2001《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[14]，本工程所經(jīng)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，地震基本設(shè)防烈度為Ⅷ度，反應(yīng)譜特征周期T=0.45 s.

2 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件SAP2000建立中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋的有限元分析模型如圖2所示，主梁和橋墩均采用三維空間梁單元，橫隔板荷載和二期荷載作為梁單元附加質(zhì)量，并建立考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的樁基模型.橋梁約束條件的模擬：利用規(guī)范[15]的“m法”計(jì)算土彈簧的剛度，采用表征土介質(zhì)彈性值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)；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)系取順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸.為進(jìn)行對(duì)比研究，計(jì)算工況包括“非隔震橋梁”和“鉛芯橡膠減隔震橋梁”的地震動(dòng)力時(shí)程分析.

筆者用兩個(gè)正交的水平非線性彈簧來模擬LRB的雙向非線性特性，并采用屈服前剛度K1、屈服后剛度K2和屈服強(qiáng)度Q作為LRB的力學(xué)控制參數(shù)，將非線性模型簡化為雙線性模型(圖3)進(jìn)行分析計(jì)算(筆者定義剛度比η為屈服后剛度與屈服前剛度的比值).

圖2 隔震連續(xù)梁橋有限元模型Fig.2 FEA model for seismically isolated continuous bridges

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[14]和本項(xiàng)目地震烈度和場地土類別，采用和場址場地土條件相近的天然地震波整理得到和設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜兼容地震波.計(jì)算采用的E2地震，X、Y方向加速度時(shí)程如圖4所示.

圖3 LRB雙線性滯回模型Fig.3 Bilinear hysteretic model of LRB

圖4 地震加速度時(shí)程Fig.4 Acceleration time history of Seismic in the fermentation

3 樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的對(duì)比

3.1 中寧黃河公路大橋

本橋采用群樁基礎(chǔ)，每根邊墩下有2根樁，每根中間墩下有8根樁.為比較在地震作用下，減隔震連續(xù)梁橋和非隔震連續(xù)梁橋整橋樁基的受力情況，圖5和6選取每座橋墩下樁基中受力最大的一根進(jìn)行對(duì)比，從中可以看出：在3條地震波作用下，不管是順橋向還是橫橋向，鉛芯橡膠支座都使樁基頂部的彎矩和剪力明顯減少，保證地震作用下樁基的安全；同時(shí)鉛芯橡膠支座使剪力和彎矩在不同橋墩間的分配趨于均勻，在使用相同樁基的情況下，減少了強(qiáng)度的浪費(fèi).

圖5 樁基頂部最大彎矩Fig.5 Max transverse moment of pile top

為確定鉛芯橡膠支座對(duì)一座橋墩下每根樁地震響應(yīng)的影響，須選取一個(gè)橋墩下的所有樁進(jìn)行分析.由于9#橋墩作為非隔震連續(xù)梁橋安裝固定支座的橋墩，受力情況最為不利，因此選取9#橋墩下的所有樁進(jìn)行受力分析.

圖7和圖8為地震作用下，非隔震和隔震連續(xù)梁橋模型9#橋墩下8根樁基的受力對(duì)比.從圖7和8可以看出：在3條地震波作用下，隔震連續(xù)梁橋模型中的樁基受力都遠(yuǎn)小于非隔震連續(xù)梁橋，說明使用鉛芯橡膠支座能夠大幅減少地震時(shí)樁基破壞的情況.同時(shí)，鉛芯橡膠支座還有使樁基受力更均勻的作用，對(duì)抗震有利.

圖6 樁基頂部最大剪力Fig.6 Max transverse shear of pile top

圖7 9#墩樁基頂部最大彎矩Fig.7 Max transverse moment of pile top at Pier 9 in the fermentation

圖8 9#墩樁基頂部橫橋向最大剪力Fig.8 Max transverse shear of pile top at Pier 9

3.2 中衛(wèi)黃河公路大橋

隔震連續(xù)梁橋與非隔震連續(xù)梁橋的有限元模型都考慮了樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用，樁-土模型采用m法樁進(jìn)行模擬，其地震響應(yīng)分析峰值反映對(duì)比如圖9和10所示.

由圖10(a)、(b)可看出：采用鉛芯橡膠支座狀態(tài)，與非隔震支座狀態(tài)進(jìn)行樁基頂受力相比，樁基頂順橋向彎矩最大減震89%，樁基頂橫橋向彎矩最大減震24%，樁基頂順橋向剪力最大減震76%，樁基頂橫橋向剪力最大減震61%.鉛芯橡膠支座的使用對(duì)改善樁基受力同樣有顯著作用，平衡了各樁基受力，便于優(yōu)化樁基設(shè)計(jì).

4 結(jié)論

筆者以中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了鉛芯橡膠支座對(duì)大跨連續(xù)梁橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的影響.從中可知：(1)鉛芯橡膠支座都使樁基頂部的彎矩和剪力明顯減少，保證地震作用下樁基的安全；(2)鉛芯橡膠支座使剪力和彎矩在不同橋墩間的分配趨于均勻，在使用相同樁基的情況下，減少了強(qiáng)度的浪費(fèi).可見，鉛芯橡膠支座可改善樁基受力，并可優(yōu)化樁基設(shè)計(jì).

圖9 12#～20#橋墩1號(hào)樁基頂最大彎矩Fig.9 Peak moment at the top section of piles

圖10 12#～20#橋墩1號(hào)樁頂最大剪力Fig.10 Peak shear at the top section of piles

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Aseismic Isolation for Pile Foundation of Long-span Continuous Girder Bridge

GUO Hong-Mei1,2， ZHOU Yan1,2, ZHANG Kai3, LI Yu4

(1.Department of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China； 2.Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment of Tianjin, Tianjin 300384, China； 3.Tianjin Saiying Engineering Construction Consultancy Management Co.Ltd, Tianjin 300191, China； 4.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

By using FEA software, analysis models of seismically isolated and non-isolated continuous bridges are established for Zhongning and Zhongwei Yellow River highway bridge. And the effect of LRB for seismic response of this bridge is analysised by consideering force, energy and displacement under the function of the reasonably chosen seismic motion. The results indicate that the natual period of seismically isolated bridge can be prolonged to avoid the principal period of ground. Meanwhile, the seismic energy of structure can be efficiently consumed by the hysteretic energy dissipation of lead rubber bearing. So the response of bridge structure can be reduced. The decrease of the structural force and moment is benefic for seismic design by using LRB.

beam bridge; LRB; aseismic design; elasto-plastic displacement; nonlinear analysis

2014-06-07；

2014-09-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408042)；天津市市政公路行業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2013-04);2012年天津市“131”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工程第三層次資助計(jì)劃;2013年天津市高校“優(yōu)秀青年教師資助計(jì)劃”

郭紅梅(1977-)，女，山西長治人，天津城建大學(xué)講師，碩士研究生，主要從事，E-mail:ghmtj@126.com.

1671-6833(2015)01-0070-05

U442.5

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.017