高烈度地區(qū)減隔震橋梁動力性能優(yōu)勢分析

閆 凱

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州院，河南 鄭州 450001）

引言

橋梁在整個交通路網(wǎng)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，如何保證橋梁結構在地震力作用下的安全及正常使用，已經(jīng)成為當今地震研究的一個重要課題。中國在橋梁工程領域的抗震、減震及隔震工作取得了較大的突破與進展[1-2]。針對連續(xù)梁橋抗震減震措施，相關研究表明: 采用減隔震支座裝置的橋梁其抗震性能具有明顯的優(yōu)勢?；诖?，以某連續(xù)梁橋為工程實例，應用Midas Civil 建立計算模型，通過反應譜法與非線性時程分析方法，對橋梁結構進行系統(tǒng)性的地震響應分析。

1 橋梁減隔震技術的應用機理

根據(jù)結構體系對地震響應的規(guī)律，橋梁減隔震技術的具體作用機理可以總結為以下兩點[3]：

1.1 增加結構自振周期

在進行橋梁結構設計時可以通過設計柔性支撐結構的方式來實現(xiàn)對整個橋梁結構周期延長的目的，通過增加周期來降低結構的加速度反應，從而減弱地震作用時的地震響應。

1.2 減少結構塑性變形的位移量

為了減小由于增加自振周期所增加的這部分位移量，可以運用科學合理方法使用一些阻尼器等能量消耗構件，當?shù)卣鸢l(fā)生時，隨著結構位移的不斷增加，橋墩進入塑性，此時阻尼器也能夠快速由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，并產生相應的阻尼來抵消地震的能量，進而減少橋墩的位移量。

2 工程概況

2.1 概述

以某3 m×30 m 預應力混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁為工程背景進行模擬分析，橋墩均采用雙柱式橋墩，墩高15 m，直徑1.4 m，樁基直徑1.6 m，支座采用HDR 高阻尼橡膠減隔震支座。地震設防烈度8 度，0.3 g，分區(qū)特征周期0.4 s，場地類別II 類，橋梁抗震設防類別B 類。

2.2 模型建立

采用Midas Civil 有限元軟件建立3 m×30 m 全橋空間有限元模型，二期恒載作為梁單元附加質量，并建立樁基模型，空間模型見圖1，從左至右依次為1#～4#墩。

圖1 空間模型圖

3 非減隔震橋梁有限元分析

由于在小震E1 情況下，減隔震橋梁抗震性能不顯著，因此僅對大震E2 情況作用下分析其動力特性。對非減隔震橋梁計算時采用反應譜法，E2 地震作用下其反應譜函數(shù)在Civil 中確定。

3.1 E2 反應譜結構自振周期

取一階模態(tài)時的周期作為橋梁的自振周期。根據(jù)Midas Civil 計算結構，結構自振周期為2.54 s，且一階模態(tài)時結構順橋向變形，二階模態(tài)時結構整體向橫橋向變形。

3.2 E2 反應譜計算最大內力

E2 地震作用下，取恒載與地震最不利組合下計算橋墩最大內力。由圖2 可知，在最不利荷載組合下，最不利橋墩為2#橋墩下部，最大彎矩7 691 kN·m，最大軸力6 619 kN。根據(jù)《規(guī)范》第7.4.7 條規(guī)定，通過彎矩- 曲率曲線求得橋墩等效屈服彎矩與計算彎矩比較，判斷其是否進入塑性。

圖2 最不利荷載組合下橋墩內力（左側彎矩右側軸力）

由圖3 彎矩- 曲率曲線可知，橋墩等效屈服彎矩為5 979 kN·m，小于橋墩計算彎矩7 691 kN·m，因此橋墩進入塑性，依據(jù)《規(guī)范》需對橋墩進行pushover分析。

圖3 橋墩彎矩- 曲率曲線

3.3 橋墩pushover 分析

依據(jù)《規(guī)范》，當橋墩進入塑性后，需對橋墩進行靜力推到分析法，迭代計算求得橫橋向墩頂允許位移，而順橋向墩頂位移按照《規(guī)范》7.4.4 計算。

由圖4 可知，通過pushover 計算得到橋墩橫向最大位移發(fā)生在墩頂[4-5]，且墩頂橫向最大允許位移?u=10.9 cm。

圖4 pushover 橫向允許位移

根據(jù)《規(guī)范》第7.4.4 條規(guī)定，橋墩墩順橋向最大允許位移發(fā)生在墩頂，且最大允許位移?u=29.2 cm。

3.4 E2 反應譜計算最大位移

取恒載與地震最不利荷載組合，分別計算橋墩順橋向和橫橋向最大計算位移。

由圖5 可知，E2 地震作用下橋墩順橋向最大計算位移發(fā)生在4#橋墩，這是因為橋墩一階模態(tài)主要沿順橋向變形，順橋向最大計算位移?d=18.2 cm，小于順橋向最大允許位移?u=29.2 cm，因此順橋向橋墩變形滿足要求；E2 地震作用下橋墩橫橋向最大計算位移發(fā)生在1#橋墩，這是因為橋墩二階模態(tài)主要沿橫橋向變形，橫橋向最大計算位移?d=16.0 cm，大于橫橋向最大允許位移?u=10.9 cm，橫橋向橋墩變形不滿足要求。因此，橋梁設計時應加設橫向擋塊或鋼板限制梁體橫向位移，防止發(fā)生梁體脫落，導致橋梁坍塌。

圖5 最不利荷載組合下橋墩位移（左順右橫）

4 減隔震橋梁有限元分析

由于減隔震支座的非線性特性，反應譜法已不再適用，因此采用能確切模擬支座非線性特性的時程分析法[4]。

4.1 E2 時程結構自振周期

取一階模態(tài)時的周期作為橋梁的自振周期。根據(jù)Midas Civil 計算結構，結構自振周期為3.08 s，且一階模態(tài)時結構順橋向變形，二階模態(tài)時結構整體向橫橋向變形，與非減隔震橋梁一、二階模態(tài)一致，但橋梁自振周期明顯提高，通過增加周期，降低了結構的加速度反應，減弱了地震作用時的地震響應。

4.2 E2 時程計算最大內力

取恒載與地震最不利組合下計算橋墩最大內力。由圖6 可知，在最不利荷載組合下，最不利橋墩為2#橋墩下部，最大彎矩為7 423.4 kN·m，最大軸力6 344.7 kN。相較于非減隔震橋梁，橋墩最大彎矩和最大軸力都降低，這也證明了在使用減隔震支座后，提高了橋梁整體的柔性，減少了地震時產生的地震效應。同樣，根據(jù)彎矩- 曲率曲線圖7 所示，求得橋墩等效屈服彎矩為7 661 kN·m 大于于計算彎矩，因此，在使用減隔震支座后橋墩還處于彈性階段，這也符合《規(guī)范》中在使用減隔震支座后橋墩不允許進入塑性的原則[6]。

圖6 最不利荷載組合下橋墩內力（左側彎矩右側軸力）

圖7 橋墩彎矩- 曲率曲線

4.3 E2 時程計算最大位移

取恒載與地震最不利荷載組合，分別計算橋墩順橋向和橫橋向最大計算位移。

減隔震橋梁與非減隔震橋梁的位移云圖有明顯的差別。減隔震橋梁順橋向方向變形不再是單一的沿某一方向，從圖8 可以看出，1#、3#橋墩沿一方向，2#、4#橋墩沿一方向，呈對稱分布，這樣更能抵抗地震效應，提高橋梁整體延性，順橋向最大位移為15.0 cm。同樣，橫橋向每個墩柱變形方向相反，平衡地震橫橋向作用，最大位移為4.7 cm。而且橋梁順橋向和橫橋向位移均小于允許位移值，這樣在橋梁設計時就不需要設計橫向擋塊或者鋼板，減少橋梁設計師的精力力。

圖8 最不利荷載組合下橋墩位移（左順右橫）

5 結論

通過Midas/Civil 有限元軟件建立三跨連續(xù)梁橋，分別應用時程分析法和反應譜法，得到橋墩不同的受力特性，現(xiàn)總結如下：

（1） 在恒載與地震作用下，相比于非減隔震橋梁，減隔震橋梁可以提高橋梁整體的自振周期，大約提高20%左右。

（2） 在最不利荷載組合下，無論是減隔震橋梁還是非減隔震橋梁，其內力最大值均位于墩頂，且在使用減隔震支座后，橋墩的內力減少，橋墩還處于彈性階段未進入塑性，主要由支座抵抗地震荷載；而在未使用減隔震支座的橋梁中，橋墩進入塑性，主要由橋墩來抵抗地震作用，顯然對橋墩不利。

（3） 在地震作用下，減隔震橋梁和非減隔震橋梁變形明顯不同，非減隔震橋梁橫橋向和順橋向變形均表現(xiàn)為沿某一方向，且橫橋向位移超過橋墩允許位移值，需增設橫向擋塊或鋼板來防止發(fā)生落梁事件；而減隔震橋梁順橋向變形表現(xiàn)為相對稱的結構，互相作用，橫向變形表現(xiàn)為兩墩柱方向變形，通過這種方式來抵抗地震作用，且縮小了橋梁橫向位移，使其在允許位移內。