隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

陳 敏

(武漢光谷建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢)

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通建設(shè)也迎來(lái)了快速發(fā)展期，在過(guò)去的40 年內(nèi)，我國(guó)建造了大量的市政橋梁及公路、鐵路橋梁。另一方面，近年來(lái)，地球地質(zhì)活動(dòng)處于活躍期，地震發(fā)生頻率明顯增高，且高烈度地震的破壞程度也較以往有明顯增加[1-2]。地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)震后救災(zāi)有至關(guān)重要的作用。部分地區(qū)橋梁可能是進(jìn)入重災(zāi)區(qū)的唯一途徑，一旦橋梁在地震作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞，將會(huì)嚴(yán)重影響救援人員和車輛的進(jìn)入，導(dǎo)致救援無(wú)法及時(shí)開展，造成嚴(yán)重的人員和經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。

橋梁結(jié)構(gòu)總體可分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)主要指主梁，下部結(jié)構(gòu)主要指橋墩、系梁、承臺(tái)和樁基。上下部結(jié)構(gòu)之間通常可分為固結(jié)和支座連接兩種方式。固結(jié)作用下，上下部結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，地震作用下，兩者共同受力，破壞力從下部直接傳到上部，造成的破壞往往較為嚴(yán)重[2]。采用支座連接的橋梁由于支座的緩沖和延遲作用，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的慣性力傳導(dǎo)至下構(gòu)時(shí)會(huì)被很大程度地減小，從而保證下構(gòu)的安全性。由于支座類型和作用原理的不同，相同上構(gòu)荷載的情況下，下構(gòu)所受到的地震作用也有較大區(qū)別[5-6]。減隔震支座旨在通過(guò)改變橋梁整體結(jié)構(gòu)的自振特性從而更大程度地減少下部結(jié)構(gòu)的破壞程度。

1 工程概況

某市政工程項(xiàng)目需新建道路2.5 km，其中除橋頭順接段采用路基方案，其余2.42 km 均采用橋梁方案減少占地，提供橋下通行空間。橋梁上構(gòu)選用便于施工和景觀相對(duì)較好的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，下構(gòu)采用門架墩。其中一座橋梁恒海路大橋，為2×30 m 跨徑組合，兩端順接其他橋梁。橋梁支座初步設(shè)計(jì)時(shí)選用普通橡膠支座，定測(cè)外業(yè)驗(yàn)收會(huì)議中專家提出研究減隔震支座在本項(xiàng)目的適用情況及預(yù)計(jì)效果。

項(xiàng)目地處7 度區(qū)，地震峰值加速度0.1 g，特征周期3.5 s，項(xiàng)目地類為二類。按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG T 2231-01-2020）中規(guī)定，反應(yīng)譜公式為：

式中：S 為加速度反應(yīng)譜；T 為周期；Smax為設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值；Tg為特征周期；T0為反應(yīng)譜直線上升段最大周期。

2 支座數(shù)學(xué)模型

支座位于簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁的上下構(gòu)之間，起釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束和豎向支撐的作用。在非地震作用下，上構(gòu)與支座之間主要為靜摩擦力，支座依靠橡膠的彈性變形來(lái)為上構(gòu)提供轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，普通支座將地震作用從下構(gòu)傳至上構(gòu)，結(jié)構(gòu)的特征周期并未發(fā)生改變，因此結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨著上構(gòu)質(zhì)量的增加而增加。

當(dāng)采用減隔震支座時(shí)，地震作用下結(jié)構(gòu)的上下部之間傳力存在滯后，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的特征周期變大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的特征周期與地震反應(yīng)譜的周期越接近時(shí)，共振效應(yīng)越明顯，結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)也就越大。因此當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期較地震反應(yīng)譜越遠(yuǎn)，地震響應(yīng)也就越小。這就是減隔震的基本原理[5，7]。

常見的非減隔震支座有普通板式支座和盆式支座等，減隔震支座有鉛芯橡膠支座等。鉛芯橡膠支座在地震作用下，通過(guò)鉛芯的變形來(lái)吸收能力，從而保證結(jié)構(gòu)的安全。兩種支座的力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 支座力學(xué)模型（a.普通橡膠支座；b.減隔震支座）

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

采用通用有限元分析軟件Midas civil 建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。主梁、墩柱及樁基采用梁?jiǎn)卧M，采用節(jié)點(diǎn)彈性約束模擬樁土作用，彈性約束的剛度通過(guò)“m”法計(jì)算獲得。通過(guò)彈性連接來(lái)模擬支座，通過(guò)調(diào)節(jié)連接的剛度模擬不同支座類型。全橋共有392個(gè)節(jié)點(diǎn)，378 個(gè)單元。有限元模型如圖2 所示。

圖2 Midas civil 三維有限元模型

通過(guò)對(duì)有限元模型施加地震時(shí)程曲線來(lái)分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。時(shí)程曲線由地震反應(yīng)譜擬合獲得，本文共分析三種不同擬合曲線的地震響應(yīng)，并取平均值作為結(jié)構(gòu)在該反應(yīng)譜下的地震響應(yīng)。分別記錄橋梁橋墩在地震作用下的軸力及彎矩響應(yīng)，并列表1、表2 所示。

表1 主梁為30 m 跨徑時(shí)不同支座地震響應(yīng)

表2 主梁為40 m 跨徑時(shí)不同支座地震響應(yīng)

從表1 及表2 可以看出，相較于普通支座，采用減隔震支座后，橋墩的軸力及彎矩都有所降低，且相較于軸力，彎矩的減小幅度更加明顯。從截面的彎矩曲率分析可以知道，當(dāng)軸力相同時(shí)，彎矩越大，截面失穩(wěn)的概率越高；當(dāng)截面所受的彎矩相同時(shí)，軸力越大，截面失穩(wěn)的概率越小。在變化不大的情況下也可以理解為軸力對(duì)截面是有利的，彎矩是有害的?？梢钥闯霾捎脺p隔震支座后，截面的安全性得到了明顯的提升。這是由于減隔震的加入使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的基頻發(fā)生了變化，地震作用下發(fā)生共振的概率減小，產(chǎn)生的地震響應(yīng)減小。

同時(shí)可以看出，當(dāng)主梁跨徑由30 m 調(diào)整為40 m時(shí)，橋墩軸力和彎矩相應(yīng)增加，但是調(diào)整前后減隔震支座的效果未發(fā)生明顯變化。這也表明減隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)的自重不敏感。因此在減隔震支座的設(shè)計(jì)時(shí)，可與普通支座一樣，僅考慮承載能力，無(wú)需額外考慮其他因素。

從減隔震支座的受力模型可以看出，該種類型支座的減隔震效果主要受兩個(gè)參數(shù)的影響，在主梁采用30 m 跨徑不變的情況下，分別改變兩個(gè)參數(shù)，然后分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，如表3 所示。

表3 不同支座參數(shù)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

從表3 中可以看出，當(dāng)改變減隔震支座剛度k1后，橋墩的軸力并未發(fā)生明顯變化，1、3 號(hào)墩的彎矩響應(yīng)未發(fā)生明顯改善，但2 號(hào)墩的軸力增加，彎矩有較為明顯的減小，這表明多跨結(jié)構(gòu)的跨中處對(duì)參數(shù)k1更為敏感。改變減隔震支座剛度k2 后，1、3 號(hào)墩的軸力有所增加，彎矩有較為明顯地減小，兩個(gè)響應(yīng)均朝有利方向改善，說(shuō)明優(yōu)化參數(shù)k2 可以改善邊墩在地震作用下的影響。

4 結(jié)論

以一座兩跨簡(jiǎn)支混凝土預(yù)制小箱梁為背景，介紹了減隔震支座與普通支座的力學(xué)模型，并分別將其運(yùn)用在橋梁上，采用有限元方法分析了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從分析結(jié)果中可以得出如下結(jié)論：

（1） 在相同條件下，采用減隔震支座的橋梁相比采用普通支座的橋梁，橋墩底部的彎矩和軸力均有不同程度的減小，但軸力變化不大，彎矩減小較為明顯。

（2） 減隔震支座對(duì)不同跨徑的橋梁作用效果相差不大，總體顯示跨徑更大的橋梁減隔震效果更明顯。

（3） 減隔震支座的兩個(gè)剛度對(duì)中墩和邊墩有不同程度的減隔震效果，剛度K1 對(duì)中墩影響程度大于邊墩，剛度K2 則相反。