基于SHDR支座的異形斜交梁橋減隔震分析 ①

曹 鋒, 馬 鵬, 靳威燕

( 1.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,青海 西寧 810007；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

橋梁減隔震原理就是通過減隔震裝置將橋梁上下部結(jié)構(gòu)隔離開來，減隔震裝置通過延長橋梁自振周期以避免地震動卓越周期，從而減少地震動能量傳到下部結(jié)構(gòu)，避免橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大而損壞[1-2]。超高阻尼橡膠支座對地震引起的梁的位移能夠較好的控制，不同地震波入射角度及地震響應(yīng)方向?qū)B續(xù)梁橋動力響應(yīng)計算結(jié)果有一定影響[3-5]。以天水陸港大道第一聯(lián)(30+28.5)m異形斜交連續(xù)梁橋為實際工程背景，采用反應(yīng)譜及非線性時程分析方法，對普通橡膠支座和SHDR支座的地震反應(yīng)的影響分別進行分析，研究在縱向及橫向地震作用下1#固定墩和2#活動墩墩頂左右支座位移及內(nèi)力的變化，為異形斜交梁橋減隔震設(shè)計提供參考。

1 工程概況及計算模型

1.1 工程概況

渭河五橋(陸港大道)橋梁工程屬于甘肅(天水)國際陸港市政基礎(chǔ)設(shè)施工程的一部分。本文研究對象為渭河五橋第一聯(lián)左幅異形斜交梁，橋梁跨徑布置為(30+28.5)m，中間橋墩斜交76.2°設(shè)置，0#橋臺和1#墩正交設(shè)置，1#橋墩采用1600×2200mm矩形橋墩，為固定墩。2#橋墩采用1600×2000mm帶倒角矩形花瓶型橋墩，為活動墩。橋型布置如圖1所示。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，橋面雙幅布置，單幅橋?qū)捰?3m漸變到17.5m，17.5m標準斷面布置形式為人行道(2.5m)、非機動車道(2.5m)、機非分隔帶(0.5m)、行車道(11.5m)以及防撞護欄(0.5m)，箱梁高度為1.8m。

圖1 橋型布置圖

1.2 有限元模型

1.2.1 抗震計算參數(shù)

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，本橋抗震設(shè)計的參數(shù)如下：

(1)橋梁抗震設(shè)計方法分類：A類

(2)橋梁設(shè)防類別：丙類

(3)地震作用：非規(guī)則橋梁E1作用下采用多振型反應(yīng)譜法；E2作用下采用時程分析法

(4)地震動峰值加速度：0.3g

(5)抗震設(shè)防烈度：8度

(6)場地類別：Ⅱ類

(7)分區(qū)特征周期：0.4s

(8)地震動反應(yīng)譜特征周期為：0.4s

(9)反應(yīng)譜阻尼比：0.05

(10)振型組合方式：CQC

本橋采用SHDR支座，為非規(guī)則橋梁，為了能夠反映橋梁的實際動力特性，并考慮SHDR支座的非線性特性，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》要求，該橋抗震分析選取E2地震作用下七條人工擬合地震波作為地震動輸入[6]，計算結(jié)果取7組地震波計算結(jié)果的平均值，其中一條如圖2所示。

圖2 E2水準下一條人工擬合時程波

在E2地震作用下，將七條人工擬合波反應(yīng)譜與抗震設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜對比分析，如圖3所示，吻合效果較好。

圖3 擬合波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

1.2.2 支座模擬參數(shù)

SHDR支座滯回曲線為反對稱梭形，一般可以將滯回曲線簡化為雙線性曲線[7]，如圖4所示。

圖4 SHDR支座滯回曲線等價線性化模型

根據(jù)靜力計算支座承載力要求，本橋SHDR支座采用2種型號，分別為：SHDR 970×970×173G1.0(20)，SHDR 1270×1270×179G1.0(20)，具體支座參數(shù)詳見表1。

表1 支座參數(shù)表

1.2.3 計算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil—2019建立橋梁空間三維抗震模型，并考慮其上下部結(jié)構(gòu)的共同剛度。采用梁單元模擬混凝土主梁，支座模擬采用一般連接，剛度值根據(jù)上述支座模擬參數(shù)選取，二期恒載以均布壓力形式作用于梁單元上[8]。橋墩和樁基礎(chǔ)也采用梁單元來模擬，樁基礎(chǔ)底部固結(jié)。由于橋臺各方向剛度均較大，故沒有模擬橋臺，采用在橋臺支座底部固結(jié)的方式進行模擬。全橋動力有限元模型如圖5所示。

圖5 全橋(左幅)動力有限元模型

2 橋梁地震響應(yīng)分析

2.1 動力特性

采用Lanczos法對全橋動力特性進行分析[9]，前10階振型周期如表2所示，橋梁結(jié)構(gòu)第1階、第5階振型示意如圖6所示。

表2 全橋結(jié)構(gòu)動力特性

(a)第1階振型圖 (b)第5階振型圖

從表2可見，異性斜交橋梁結(jié)構(gòu)采用SHDR支座，結(jié)構(gòu)前三階自振周期明顯增大，可以錯開地震動卓越周期，使結(jié)構(gòu)延性增加，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，進一步確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全[10]。

2.2 E1地震作用下反應(yīng)譜分析結(jié)果

E1水準作用下采用毛截面剛度，振型組合方式為CQC。根據(jù)上述荷載組合，分別將采用普通支座和SHDR支座的墩底地震反應(yīng)計算結(jié)果匯于表3中，1#固定墩橫橋向、順橋向的彎矩為Mx1,My1，2#活動墩橫橋向、順橋向的彎矩為Mx2,My2。

表3 E1地震作用下各橋墩墩底彎矩(×103kN·m)

由表3可以看出，采用普通支座時，2#墩My2明顯小于1#墩，2#墩Mx2略大于1#墩；而采用SHDR支座后，2#墩My2明顯增大，而1#墩My1減少66.1%～67.5%；2#墩Mx2減小64.8%，而1#墩Mx1基本沒變。由此得知，采用SHDR支座，使得固定墩順橋向彎矩明顯減小，橫橋向彎矩不受影響；活動墩順橋向彎矩明顯增大，而橫橋向彎矩明顯減小。

2.3 E2地震作用下時程分析結(jié)果

分別采用SHDR支座和普通支座時，在E2地震作用下計算1#墩和2#墩底縱向、橫向彎矩值Mx1,My1,Mx2,My2以及墩頂位移值νx1,νy1,νx2,νy2以及隔震率，如表4～6所示。

表4 E2地震作用下墩底內(nèi)力-最大值(×103kN·m)

表5 E2地震作用下墩底內(nèi)力-最小值(×103kN·m)

表6 E2地震作用下墩頂位移-最大值(mm)

由表4～表6分析可見采用普通支座時，活動墩順橋向彎矩及位移遠小于固定墩，采用SHDR支座后，活動墩縱橋向彎矩及位移增大而分擔(dān)地震作用。采用SHDR支座后，固定墩縱、橫橋向彎矩和活動墩橫橋向彎矩都顯著減小，內(nèi)力隔震率在49.5%～72.5%采用SHDR支座使墩底內(nèi)彎大幅減小，SHDR支座使各墩的墩底內(nèi)力分布均勻，各橋墩協(xié)同受力，使橋梁抗震更有利。

采用彈塑性的分析方法，來獲取構(gòu)件的彎曲強度和轉(zhuǎn)角的關(guān)系(M-φ曲線)[11-12]，由橋墩M-φ曲線計算可得，1#墩縱橫向屈服彎矩Mu為19913.5kN·m。從表4-表5可見，采用普通支座時，1#墩墩頂Mx1,My1明顯大于Mu，而采用SHDR支座后，1#墩墩底Mx1,My1均大幅減小，Mx1,My1均小于Mu，橋墩處于彈性狀態(tài)，滿足抗震要求。

該橋選用支座縱橫橋向容許位移[ν]=75mm。由表6可見采用普通支座時，1#墩順橋向最大位移νy1=207.9mm，則νy1>[ν]，支座位移不滿足要求；而采用SHDR支座后， 1#墩順橋向最大位移νy1=52.6mm，則νy1<[ν]，支座位移滿足要求。

選取墩底內(nèi)力最大的地震波(ART2)作用，計算1號、2號橋墩的墩頂位移時程曲線，如圖7-圖10所示。

圖7 E2地震ART2縱向時程波作用下1號墩頂位移時程曲線

圖8 E2地震ART2橫向時程波作用下1號墩頂位移時程曲線

從圖7-圖10可見，采用SHDR支座后，1#固定墩縱橫向位移νx1,νy1均大幅減小，結(jié)構(gòu)時程變形更趨于均勻化，地震峰值作用減小，SHDR支座使結(jié)構(gòu)變的更柔，結(jié)構(gòu)阻尼增加可進一步提高耗能能力；2#墩橫橋向位移νx2也大幅減小，而順橋向位移νy2由于分擔(dān)的全橋地震作用而增加，但整體變形比較均勻。

圖9 E2地震ART2縱向時程波作用下2號墩頂位移時程曲線

圖10 E2地震ART2橫向時程波作用下2號墩頂位移時程曲線

3 結(jié) 論

以天水陸港大道第一聯(lián)(30+28.5)m異形斜交連續(xù)梁橋為實際工程背景，采用反應(yīng)譜及非線性時程分析方法，對普通橡膠支座和SHDR支座的地震反應(yīng)分別進行研究分析，主要研究結(jié)論如下。

(1)采用SHDR支座后，1#固定墩縱橋向、橫橋向彎矩作用Mx1,My1以及2#活動墩橫橋向彎矩作用Mx2都顯著減小，內(nèi)力隔震率在49.5%～72.5%。SHDR支座使各墩的墩底內(nèi)力分布均勻，各橋墩協(xié)同受力，使橋梁抗震更有利。

(2)采用普通支座時，1#固定墩墩底縱橫向彎矩均已超過屈服彎矩很多，而采用SHDR支座后1#墩墩底縱橋向、橫橋向彎矩均大幅度減小，且小于屈服彎矩，橋墩處于彈性受力狀態(tài)，滿足預(yù)期的抗震設(shè)防目標。

(3)采用SHDR支座后，1#固定墩縱橫向位移均大幅減小，結(jié)構(gòu)時程變形更趨于均勻化，地震峰值作用減小，SHDR支座使結(jié)構(gòu)變?nèi)?，結(jié)構(gòu)阻尼增加可進一步提高耗能能力。