水平荷載作用下橋梁支座的抗震性能研究

摘要：為研究水平荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)體系及支座的抗震性能，采用Midas civil有限元軟件建立線橋一體化計(jì)算模型，考慮墩高及跨數(shù)兩個(gè)因素設(shè)計(jì)不同的計(jì)算工況，對(duì)支座承受的地震力進(jìn)行計(jì)算分析，揭示地震力在橋梁結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：線橋一體化模型的橋墩支座縱向地震力呈現(xiàn)中部大，兩側(cè)邊界小的拋物線分布規(guī)律，存在明顯的放大和減小區(qū)域；縱向地震力的放大區(qū)域系數(shù)和峰值比均隨橋墩墩高的增大逐漸減小，隨橋梁跨數(shù)的增大逐漸增大。

關(guān)鍵詞：橋梁支座；縱向地震力；抗震性能；有限元方法；數(shù)值模擬

課題項(xiàng)目：基于拉索減震支座技術(shù)的鐵路連續(xù)梁橋抗震性能研究（2023KY1440）

0" "引言

我國(guó)屬于地震頻發(fā)的國(guó)家，而簡(jiǎn)支梁橋與其他橋型相比抗震性能較差，若未采取恰當(dāng)?shù)目拐鸫胧诘卣鹱饔孟潞?jiǎn)支梁橋極易發(fā)生破壞，從而對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁的抗震性能的研究取得了較多的成果。黃佳棟等[1]依托某大跨波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶋H工程，研究了耐震時(shí)程法評(píng)估橋梁縱向抗震性能的精確性。楊孟剛等[2]依托某五跨簡(jiǎn)支梁橋?qū)嶋H工程，利用Abaqus軟件建立有限元模型并施加地震荷載，研究了近斷層地震作用下簡(jiǎn)支梁橋的動(dòng)力響應(yīng)及減震體系。項(xiàng)長(zhǎng)生等[3]依托某典型連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程，利用OpenSees軟件建立數(shù)值模型，研究連續(xù)梁橋在橫向地震作用下動(dòng)力響應(yīng)及不同阻尼器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。劉得運(yùn)等[4]依托黃茅海西引橋連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程，研究了橋墩高度對(duì)連續(xù)梁橋抗震性能的影響。方蓉等[5]提出一種用于連續(xù)梁橋固定墩頂?shù)男滦妥詮?fù)位摩擦耗能支座，應(yīng)用該支座的連續(xù)梁橋振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究了該新型自復(fù)位摩擦耗能支座對(duì)連續(xù)梁橋抗震性能的提升效果。

本文基于以上研究成果，采用Midas civil有限元軟件建立線橋一體化計(jì)算模型，考慮墩高及跨數(shù)兩個(gè)因素設(shè)計(jì)不同的計(jì)算工況，對(duì)支座承受的地震力進(jìn)行計(jì)算分析，揭示地震力在橋梁結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律，以為橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1" "數(shù)值模型建立

1.1" "計(jì)算工況

本文使用Midas civil 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模型的建立與計(jì)算。為使本文的研究成果具有普適性，在建立數(shù)值模型時(shí)，對(duì)于橋體主梁和橋墩均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行建模，采用圓刺形實(shí)體墩、重力式U型橋臺(tái)、盆式橡膠支座以及CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道。單孔橋跨的結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量為1320t，設(shè)計(jì)恒載為120kN/m，橋臺(tái)的縱向水平線剛度為5.0×103kN/m，橋梁結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示，橋墩截面尺寸如表1所示。

現(xiàn)有研究表明，在地震作用下，支座的地震力大小及分布與橋梁的墩高與跨數(shù)密切相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算工況時(shí)，共考慮了5種不同的墩高和3種不同的橋梁跨數(shù)的組合，共15種計(jì)算工況。同時(shí)為研究軌道系統(tǒng)對(duì)支座地震力的影響規(guī)律，分別建立了傳統(tǒng)模型和線橋一體化模型。計(jì)算工況如表2所示。

1.2" "傳統(tǒng)模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)的計(jì)算工況，模型1為未考慮軌道系統(tǒng)約束效應(yīng)的傳統(tǒng)模型，即單墩模型。在傳統(tǒng)模型中，假設(shè)橋墩保持彈性，橋墩和橋梁承臺(tái)均采用彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橋梁主梁和橋面均采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，樁土間相互作用采用3彈簧模型進(jìn)行模擬，模型1共有5種墩高，分別為8m、11m、14m、17m、20m。

1.3" "線橋一體化模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)的計(jì)算工況，模型2、3、4均為線橋一體化模型。與模型1相同，假設(shè)橋墩保持彈性，橋墩和橋梁承臺(tái)均通過(guò)彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橋面通過(guò)質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，樁土間的相互作用通過(guò)3彈簧模型進(jìn)行模擬。不同之處在于，模型2～4假設(shè)多跨簡(jiǎn)支梁橋的墩高相同，端刺和軌道系統(tǒng)剛度不變。橋上鋪設(shè)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)，橋梁主梁通過(guò)彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，支座通過(guò)自由度耦合進(jìn)行模擬。

在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)有限元模型建立過(guò)程中，通過(guò)彈性梁?jiǎn)卧獙?duì)底座板、鋼軌和軌道板進(jìn)行模擬，通過(guò)線性彈簧單元對(duì)CA砂漿層、滑動(dòng)層、端刺和軌道扣件進(jìn)行模擬，線橋一體化模型的上部結(jié)構(gòu)如圖2所示。軌道各構(gòu)件的縱向剛度如表3所示。

模型2～4的上部結(jié)構(gòu)均采用相同的邊界條件，包括橋梁主梁與底座板之間的豎向連接，軌道板與鋼軌之間的扣件連接，以及軌道各構(gòu)件的豎向連接等。由于軌道系統(tǒng)在橫橋方向上每個(gè)軌道上均設(shè)置了側(cè)向擋塊，在建立數(shù)值模型時(shí)，可通過(guò)在y方向上施加等效的橫向剛度模擬擋塊起到的作用?？紤]到后續(xù)分析僅需支座與端刺的計(jì)算結(jié)果，在進(jìn)行模型抗震計(jì)算時(shí)，僅通過(guò)簡(jiǎn)易梁?jiǎn)卧蜕贁?shù)的線性彈簧單元對(duì)軌道-橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合計(jì)算。

2" "軌道約束對(duì)橋墩支座地震力分布影響

由于傳統(tǒng)模型（模型1）未考慮軌道系統(tǒng)約束效應(yīng)，而線橋一體化模型（模型2～4）考慮了軌道系統(tǒng)與橋梁之間的耦合作用，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同軌道約束和不同墩高條件下橋墩支座的縱向地震力分布，如圖3所示。

從圖3可知，隨著橋墩墩高的逐漸增大，不同模型的橋墩支座的縱向地震力均不斷減小。由于模型1未考慮軌道系統(tǒng)約束效應(yīng)，在相同橋墩墩高時(shí)不同支座所受到的縱向地震力相同，支座縱向地震力呈現(xiàn)直線分布。模型2～4均考慮了軌道系統(tǒng)約束效應(yīng)，由于受到軌道系統(tǒng)以及端刺邊界的影響，模型2～4橋墩支座縱向地震力呈現(xiàn)中部大、兩側(cè)邊界小的拋物線分布規(guī)律。與模型1相比，在相同橋墩墩高的情況下，模型2～4的橋墩支座縱向地震力存在明顯放大和減小區(qū)域，對(duì)應(yīng)區(qū)域范圍主要與橋墩墩高和橋梁跨數(shù)有關(guān)。

3" "橋梁跨數(shù)對(duì)橋墩支座地震力分布的影響

3.1" "引入?yún)?shù)

為進(jìn)一步研究線橋一體化模型，因軌道系統(tǒng)以及端刺邊界約束而產(chǎn)生的橋梁支座縱向地震力分布不均勻現(xiàn)象，本節(jié)引入放大區(qū)域系數(shù)ai和峰值比pi。其中，定義放大區(qū)域系數(shù)ai為處于地震力放大區(qū)域支座個(gè)數(shù)占橋梁總支座個(gè)數(shù)的比例；峰值比pi為支座縱向地震力最大值，與對(duì)應(yīng)橋墩墩高下模型1的支座縱向地震力的比值，下標(biāo)i表示墩高，放大區(qū)域系數(shù)和峰值比的示意圖如圖4所示。

3.2" "計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到模型2～4在不同橋墩墩高工況下的放大區(qū)域系數(shù)ai和峰值比pi如表4所示。

以橋梁跨數(shù)為20跨為例，當(dāng)橋墩墩高為8m時(shí)，支座7#～13#間為地震力放大區(qū)域，放大區(qū)域系數(shù)為35.0%，峰值比為1.12，支座1#～7#間和13#～19#間為地震力減小區(qū)域。當(dāng)橋墩墩高為14m時(shí)，支座9#～11#間為地震力放大區(qū)域，放大區(qū)域系數(shù)為15.0%，峰值比為1.03，支座1#～9#間和11#～19#間為地震力減小區(qū)域。當(dāng)橋墩墩高為20m時(shí)，無(wú)地震力放大區(qū)域，放大區(qū)域系數(shù)為0，峰值比為0.95，支座1#～19#間均為地震力減小區(qū)域。

以橋墩墩高11m為例，當(dāng)橋梁跨數(shù)為20跨時(shí)，支座7#～13#間為地震力放大區(qū)域，放大區(qū)域系數(shù)為30.0%，峰值比為1.10，支座1#～7#間和13#～19#間為地震力減小區(qū)域。當(dāng)橋梁跨數(shù)為35跨時(shí)，支座10#～25#間為地震力放大區(qū)域，放大區(qū)域系數(shù)為40.0%，峰值比為1.20，支座1#～10#間和25#～34#間為地震力減小區(qū)域。當(dāng)橋梁跨數(shù)為50跨時(shí)，支座13#～37#間為地震力放大區(qū)域，放大區(qū)域系數(shù)為46.0%，峰值比為1.18，支座1#～13#間和37#～49#間為地震力減小區(qū)域。

綜上，在橋梁跨數(shù)確定情況下，隨著橋墩墩高增大，橋墩支座縱向地震力的放大區(qū)域系數(shù)和峰值比均逐漸減?。辉跇蚨斩崭叽_定的情況下，隨著橋梁跨數(shù)的增大，橋墩支座縱向地震力的放大區(qū)域系數(shù)和峰值比逐漸增大。但當(dāng)橋梁跨數(shù)大于35跨時(shí)，放大區(qū)域系數(shù)和峰值比的變化幅度均變緩。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文以鋪設(shè)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的簡(jiǎn)支箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Midas civil有限元軟件建立線橋一體化計(jì)算模型，考慮墩高及跨數(shù)兩個(gè)因素設(shè)計(jì)不同的計(jì)算工況，對(duì)支座承受的地震力進(jìn)行計(jì)算分析，得到結(jié)論如下：

模型1中支座的縱向地震力呈現(xiàn)直線分布，隨橋墩墩高的增大逐漸減??；模型2～4的橋墩支座縱向地震力呈現(xiàn)中部大、兩側(cè)邊界小的拋物線分布規(guī)律，存在明顯放大和減小區(qū)域，對(duì)應(yīng)區(qū)域范圍主要與橋墩墩高和橋梁跨數(shù)有關(guān)。模型2～4中縱向地震力的放大區(qū)域系數(shù)和峰值比均隨橋墩墩高的增大逐漸減小，隨橋梁跨數(shù)的增大逐漸增大，但當(dāng)橋梁跨數(shù)大于35跨時(shí)，放大區(qū)域系數(shù)和峰值比的變化幅度均變緩。

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