高阻尼橡膠支座在曲線鋼箱梁橋中的適用性研究

袁攝楨， 凌 意

(1.長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410007； 2.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

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高阻尼橡膠支座在曲線鋼箱梁橋中的適用性研究

袁攝楨1， 凌 意2

(1.長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410007； 2.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

以一座城市立交匝道橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用MIDAS/CIVIL建立該曲線鋼箱梁橋的三維有限元模型，考慮不同的地震波輸入方向，分析高阻尼隔震橡膠支座的減震效果，并探討支座參數(shù)變化對曲線鋼箱梁橋地震效應(yīng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，地震荷載作用下，采用參數(shù)合理的高阻尼橡膠支座能減小曲線鋼箱梁墩底剪力達(dá)27%～69%。支座屈服力、屈服前后剛度比值和初始水平剛度增大時，支座水平方向位移的有變小的趨勢，但并不顯著。支座參數(shù)的改變可以顯著調(diào)節(jié)所在橋墩內(nèi)力，對其余橋墩內(nèi)力的影響較小，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)受力要求合理調(diào)整各墩支座參數(shù)。

高阻尼橡膠支座； 曲線鋼箱梁橋； 屈服剛度； 減震效果； 時程分析

0 引言

曲線鋼箱梁橋以其優(yōu)美的線形和卓越的克服地形障礙能力而倍受橋梁設(shè)計(jì)者的青睞，在城市立交中得到普遍應(yīng)用。曲線梁橋受力相對復(fù)雜，其靜力及動力受力性能均受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是曲線橋在地震中遭受破壞的案例仍然屢見不鮮。震害讓人們意識到，傳統(tǒng)的抗震思想——味提高結(jié)構(gòu)能力的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)并不能完全阻止結(jié)構(gòu)破壞，并且是不經(jīng)濟(jì)的。因此，更有效的抗震措施成為研究熱點(diǎn)。其中，發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的方法是采用減隔震支座。

減隔震支座主要有鉛芯橡膠支座、摩擦擺式支座和高阻尼橡膠支座等。高阻尼橡膠支座具有阻尼效果好、技術(shù)性能穩(wěn)定、維護(hù)成本低和耐久性好等特點(diǎn)，在公路橋梁中的應(yīng)用日益廣泛，眾多學(xué)者對其力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。朱昆[1]、袁涌[2]等對高阻尼橡膠支座的力學(xué)性能及隔震效果進(jìn)行了分析研究。2012年，沈朝勇[3，4]等對高阻尼隔震橡膠支座進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，并對其參數(shù)取值進(jìn)行分析。2013年，丁曉唐[5]等對高阻尼橡膠支座的動力性能進(jìn)行了研究。國外學(xué)者Gyeong-Hoi Koo、H.S. Gu[6，7]也對高阻尼橡膠支座的減震效應(yīng)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)及分析。

曲線梁橋減隔震支座需兼顧結(jié)構(gòu)靜力和動力受力性能，在設(shè)計(jì)過程中選用合適的減隔震支座是結(jié)構(gòu)受力是否合理的關(guān)鍵。本文以呼和浩特一座城市立交匝道橋?yàn)楣こ瘫尘?，探討高阻尼隔震橡膠支座對曲線鋼箱梁橋的減震效應(yīng)，研究不同支座參數(shù)對減隔震性能的敏感性，對曲線鋼箱梁橋選用高阻尼橡膠支座的要點(diǎn)提出建議，為高阻尼橡膠支座的研究和應(yīng)用提供參考。

1 高阻尼隔震橡膠支座的力學(xué)模型

本文采用非線性動力時程方法進(jìn)行地震效應(yīng)分析，計(jì)算模型應(yīng)正確反映高阻尼隔震橡膠支座的力學(xué)特性。根據(jù)《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》[8](JT/T 842-2012)，支座的力學(xué)性能按等效雙線性恢復(fù)力模型模擬，HDR系列支座的恢復(fù)力模型如圖1所示。

圖1 支座的等效雙線性恢復(fù)力模型Figure 1 Equivalent bilinear restoring force model of bearing注：圖中X為容許剪切位移，Qy為屈服力，K1為水平剛度，K2為水平剛度，Kh為水平等效剛度。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和地震波輸入

2.1 有限元模型

工程背景為跨徑組合(36.5 m+40 m)的連續(xù)鋼箱梁，結(jié)構(gòu)中心曲線半徑為140 m，梁高1.8 m。橋墩為獨(dú)墩雙支座，墩高在15.1～15.3 m之間。采用MIDAS/CIVIL建立三維有限元模型，主梁和橋墩用梁單元模擬，支座用一般連接模擬，各支座切向與模型X軸方向夾角見表1。支座力學(xué)參數(shù)見表2。支座型號根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇，布置方式如圖2所示。

表1 支座切向與X軸夾角Table1 IntersectionanglebetweentangentialofpierandXaxis墩號夾角/(°)P21-15.213P220.5927P2315.015

表2 支座力學(xué)參數(shù)Table2 Mechanicalparametersofbearing支座編號支座型號承載力/kN容許剪切位移/mmP22HDR(Ⅰ)-670×670×2665009325P21、P23HDR(Ⅰ)-520×520×2272910250屈服力/kN水平剛度K1K2水平剛等效度豎向剛度阻尼比/%21915.782.433.2417331512912.121.872.49131015 注:表中支座剛度單位為kN/mm。

圖2 支座布置圖Figure 2 Bearing arrangement

2.2 地震動輸入

橋址處抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，工程場地類別為Ⅱ類。該橋的抗震設(shè)防分類為乙類，加速度反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。結(jié)合《公路橋涵抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，為考慮地震動的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)加速度時程不少于三組，計(jì)算結(jié)果取時程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值[9，10]。計(jì)算所選地震波如表3所示，并用綜合調(diào)整法[11]對所選地震波進(jìn)行調(diào)整。

曲線梁橋地震響應(yīng)計(jì)算存在地震動最不利輸入方向問題，《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)規(guī)定可沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進(jìn)行多方向地震輸入。本文將探討地震波的多方向輸入，并給出高阻尼橡膠支座在最不利輸入方向下的減震效果。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)地震波輸入方向的不同，分為以下5種計(jì)算工況。

表3 地震波參數(shù)Table3 Seismicwaveparameters地震波峰值點(diǎn)PGA/g特征周期Tg/s設(shè)防目標(biāo)設(shè)計(jì)加速度/g加速度調(diào)整系數(shù)ElCentroSite,0.3570.510270DegHollywood0.0590.628Storage270DegElCentroSite,0.2470.252VerticalE10.0770.216E20.2340.655E10.0771.305E20.2343.966E10.0770.312E20.2340.947

工況1：沿P21和P23支座連線及垂直于連線方向輸入，比例為1∶0.85；

工況2：沿P21和P22支座連線及垂直于連線方向輸入，比例為1∶0.85；

工況3：沿P21支座切向和法向輸入，比例為1∶0.85；

工況4：沿P23支座切向和法向輸入，比例為1∶0.85；

工況5：沿P23和P22支座連線及垂直于連線方向輸入，比例為1∶0.85。

3 地震響應(yīng)計(jì)算及分析

以墩底彎矩和支座位移為指標(biāo)，分析激勵方向不同時結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)，并用減震率表征減震效果。減震率計(jì)算公式為：

(1)

式中：R為減震后結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)；S為減震前(使用盆式橡膠支座)結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。通過特征值計(jì)算，算得在普通支座下第一振型(順橋向)的周期為0.913 s，第二振型(橫橋向)周期為0.647 s，在高阻尼橡膠隔震支座下第一振型(順橋向)的周期為1.537 s，第二振型(橫橋向)周期為1.435 s。在E1、E2作用下計(jì)算墩底剪力結(jié)果如表4所示。

表4 各工況下地震響應(yīng)Table4 StructuralresponseunderE1andE2地震作用墩底剪力/kN工況1工況2工況3工況4工況5E1P21墩Fz332.02376.21384.57401.00403.51P21墩Fy243.27191.91225.67238.60239.17P22墩Fz393.54416.95418.50436.09437.81P22墩Fy404.65391.81409.82426.92437.48P23墩Fz403.03399.81464.06451.78459.79P23墩Fy406.12385.59389.43403.49410.99E2P21墩Fz1090.251041.851020.281060.681098.66P21墩Fy734.35728.86719.26761.21795.89P22墩Fz1019.75926.811088.321125.671135.49P22墩Fy1199.981077.471146.301155.591206.05P23墩Fz925.51986.841159.541088.221136.96P23墩Fy739.94702.01757.01792.30818.43

計(jì)算結(jié)果表明：不同地震波輸入時，Hollywood Storage 270 Deg波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)相對較大。按不同方向輸入地震波時，工況5產(chǎn)生的墩底剪力較大，可作為本橋地震波的最不利輸入方向。表5給出了采用高阻尼隔震橡膠支座后，工況5產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)：

E1作用下，P21墩底剪力的減震率為43.1%～51.9%；P22墩底剪力的減震率為40.2%～53.8%；P23墩底剪力的減震率為42.0%～60.7%。E2作用下，P21墩底剪力的減震率為26.9%～68.8%；P22墩底剪力的減震率為26.8%～56.4%；P23墩底剪力的減震率為44.3%～47.6%。在E1、E2作用下，橋墩橫橋向剪力的減震率要高于順橋向。由于墩底彎矩規(guī)律與剪力相似，此處不再贅述。隔震支座的應(yīng)用改變了結(jié)構(gòu)的周期，增加結(jié)構(gòu)延性，提高變形性能，起到了良好的消能減震作用。

表5 高阻尼隔震支座的減震效果Table5 Dampingeffectofthehighdampingisolationbearings地震作用墩底剪力/kN減震前減震后減震率/%E1P21墩Fz403.51229.5543.1P21墩Fy239.17115.1651.9P22墩Fz437.81261.8540.2P22墩Fy437.48202.1853.8P23墩Fz459.79266.6242.0P23墩Fy410.99161.4560.7E2P21墩Fz1098.66802.8726.9P21墩Fy795.89248.0068.8P22墩Fz1135.49830.6826.8P22墩Fy1206.05526.2756.4P23墩Fz1136.96633.1944.3P23墩Fy818.43428.8447.6

4 支座參數(shù)對地震響應(yīng)的敏感性分析

支座參數(shù)的選擇直接影響到減震效果，參數(shù)的敏感性分析可為支座選擇提供快捷而經(jīng)濟(jì)的方案，本文探討支座屈服力Q、水平剛度K1、屈服后剛度與彈性剛度比R這3項(xiàng)主要參數(shù)的敏感性。由于E1作用下支座未達(dá)到屈服狀態(tài)，以下僅給出E2作用、工況5地震波激勵方向的結(jié)果。支座屈服力參數(shù)選擇見表6，計(jì)算工況中每種情形下每次只變化一個參數(shù)，其余參數(shù)保持為模型3所對應(yīng)值不變。如狀態(tài)1下，只改變參數(shù)Q，R和K1分別保持0.155、15.68不變。

表6 支座力學(xué)參數(shù)Table6 Mechanicalparametersofbearing計(jì)算工況參數(shù)模型1狀態(tài)1Q/kN159狀態(tài)2R0.055狀態(tài)3K1/(kN·mm-1)11.68模型2模型3模型4模型51892192492790.1050.1550.2050.25513.6815.6817.6819.68

保持Q和K1不變，改變中墩支座屈服后剛度與彈性剛度的比值R，具體參數(shù)見表6。

保持Q和R不變，改變中墩支座水平剛度K1，具體參數(shù)見表6。

從圖3～圖5可看到，隨著支座屈服力Q、屈服前后剛度比值R和水平剛度K1的增大，支座水平方向位移雖有變小趨勢，但并不顯著。圖6～圖8表明：支座參數(shù)的改變對支座所在墩底內(nèi)力的影響較大，對其余橋墩的影響則比較小。各模型相應(yīng)內(nèi)力達(dá)到最大值的時刻非常接近，說明上述參數(shù)的變化并沒有顯著改變結(jié)構(gòu)的振動特性。由于邊墩支座已進(jìn)入屈服后狀態(tài)，因此橋墩內(nèi)力所受影響很小。

圖3 支座變形與屈服力關(guān)系曲線Figure 3 Relationship of bearing deformation and yield force

圖4 支座變形與R關(guān)系曲線Figure 4 Relationship of bearing deformation and parameter R

圖5 支座變形與K1關(guān)系曲線Figure 5 Relationship of bearing deformation and elastic stiffness

圖6 墩底彎矩與屈服力關(guān)系曲線Figure 6 Relationship of bending moment on pier bottom and yield force

圖7 墩底彎矩與R關(guān)系曲線Figure 7 Relationship of bending moment on pier bottom and parameter R

圖8 墩底彎矩與K1關(guān)系曲線Figure 8 Relationship of bending moment on pier bottom and elastic stiffness

從上述支座參數(shù)的變化也可以看到，高阻尼橡膠支座對結(jié)構(gòu)變形的控制相對較弱，而曲線梁橋由于線形復(fù)雜，聯(lián)間的變形協(xié)調(diào)是設(shè)計(jì)過程中需要重視的問題。因此，高阻尼橡膠支座需具有良好的復(fù)位性能，避免累積變形而使得聯(lián)間出現(xiàn)錯位現(xiàn)象。

5 結(jié)論

文章對高阻尼隔震橡膠支座在曲線鋼箱梁中的減隔震效果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

① 連續(xù)曲線鋼箱梁采用高阻尼橡膠支座能夠起到很好的減隔震效果，通過選擇合適的支座參數(shù)，各墩底彎曲內(nèi)力減震率可達(dá)27%～69%，地震波的最不利激勵方向?yàn)镻22墩和P23墩支座連線方向及垂直于該連線方向。

② 支座屈服力Q、屈服前后剛度比值R和水平剛度K1增大時，支座水平方向位移的有變小的趨勢，但并不顯著。

③ 曲線連續(xù)鋼箱梁支座參數(shù)的改變可以顯著調(diào)節(jié)所在橋墩的內(nèi)力，對其余橋墩內(nèi)力的影響較小，在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)受力要求適當(dāng)調(diào)整支座參數(shù)。

④ 由于高阻尼隔震橡膠支座沒有固定支座與活動支座之分，在溫度作用下，曲線梁的梁端可能出現(xiàn)較大的切線位移。在城市高架橋中，鋼箱梁多用于大跨度匝道橋，兩端一般與小跨度混凝土梁橋相接，兩者間存在較大的剛度差異。因此，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)特別注意交接墩處聯(lián)間切線位移協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)錯位現(xiàn)象，同時，也要求高阻尼隔震橡膠支座具有很好的復(fù)位性能。

[1] 朱昆.高阻尼橡膠支座力學(xué)性能及其隔震效果分析研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[2] 袁涌，朱宏平，資道銘.高阻尼橡膠隔震支座的力學(xué)性能及隔震效果分析研究[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2011(1).

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The Applicability Research of High Damping Rubber Bearing on Curved Steel Box-girder

YUAN Shezhen1， LING Yi2

(1.Changsha Planning & Design Institute Co.， Ltd. Changsha Hunan 410007， China； 2.School of Civil Engineering and Architecture， Central South University， Changsha， Hunan 410075， China)

Based on an overpass ramp bridge，this paper establishes a 3D finite element model of this curved steel box-girder bridge with high damping rubber bearing.Considering the orientation of earthquake wave，the effect of using high damping rubber bearings was analyzed and the influences of bearing parameters on damping effects are discussed.The results show that the application of high damping rubber bearings can reduce the shear forces at the bottom of piers up to 27%～69%.The displacement of bearings decreased as the yield force，the stiffness ratio before and after yield and the initial horizontal stiffness enlarged，but not dramatically.The parameters of bearing can affect the internal force of the pier which the bearing located and have little influence to others piers.The parameters of bearing should be adjusted according to the force requirements of the structure during design.

high damping rubber bearing； curved steel box-girder； yield stiffness； damping effects； time history analysis

2016 — 07 — 28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378503)

袁攝楨(1983 — )，男，湖南長沙人，工學(xué)碩士，主要從事橋梁設(shè)計(jì)和減隔震研究。

U 443.36

A

1674 — 0610(2016)05 — 0077 — 05