廈漳跨海大橋引橋隔震效果分析

王明遠， 張星雷， 袁 涌

(1.福建廈漳大橋有限公司，福建 漳州 363100;2.華中科技大學 a.土木工程與力學學院;b.控制結構湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074)

地震是一種不可預知的自然災害，嚴重影響了人類的生命安全。隨著我國橋梁工程的迅速發展，橋梁抗震問題越來越受到關注。通過在橋梁結構中采用減、隔震技術，可以顯著提高結構的抗震性能。廈漳大橋所經之處為臨近臺灣海峽地震高烈度區，并臨近地震斷層，其設計地震動峰值加速度要明顯高于當前國內的其他橋梁，因此其地震問題不容忽視。根據目前的參考資料，廈漳跨海大橋的地震動參數在我國目前修建的公路橋梁中是比較大的，同時場地的特征周期相對較長，這樣使得地震動對廈漳大橋輸入的能量更多，地震響應更大。本文對廈漳大橋北汊南引橋的減震設計進行非線性時程有限元分析，采用滑動限位式鉛芯隔震橡膠支座，利用混合隔震，消除由于支座的施工變形對橋墩產生附加水平力與較大的附加彎矩。

1 有限元模型

1.1 工程介紹

廈漳大橋北汊南引橋全長3962.4 m，分為13聯，考慮到各聯之間的相互影響，同時第7聯在7～13聯中墩高最高，為了對比不同墩高之間的隔震效果，取7～9聯作為計算單元。7～9聯跨徑布置6×50 m連續箱梁，墩為5.4 m×2.7 m矩形截面。

1.2 有限元計算模型

采用商業有限元程序Ansys對該大橋進行抗震計算，采用空間梁單元beam188模擬預應力混凝土連續梁橋的主梁和橋墩;二期恒載采用集中質量單元mass21模擬;主梁與邊墩之間的連結用combine39單元來模擬。橋梁結構有限元計算模型簡圖如圖1所示，對于非隔震結構，墩與梁之間考慮板式橡膠支座，采用鉸接，而橋臺處考慮四氟板支座，采用摩擦單元，順橋向則是用非線性摩擦滑移單元Combine39來模擬滑移支座。單元的起滑力為:

式中，μ為摩擦系數，FN為橋梁自重作用下支座的反力。

為了進行對比研究，分析計算工況包括非隔震狀態、僅采用普通鉛芯隔震橡膠支座進行隔震(簡稱無GAP隔震)和采用普通鉛芯隔震橡膠支座和滑動限位式鉛芯隔震橡膠支座的混合隔震系統(簡稱有GAP隔震，圖2)。在有GAP隔震分析中，采用combin39組合單元模擬隔震支座的力學性能，而在無GAP隔震分析中，不考慮縱橋向和橫橋向的自由位移量，僅考慮橡膠支座的力學性能。

圖1 北汊南引橋7～9聯有限元計算模型圖

圖2 滑動限位式鉛芯隔震橡膠支座示意圖

2 分析用地震波

廈漳大橋引橋采用兩水準設防，分別為50年超越概率10%(重現期475年，E1地震作用)和100年超越概率10%(重現期1950年，E2地震作用)的超越概率?，F選用其中地表面六條地震波進行分析，E1地震作用下，地震波最大加速度為0.176g。E2地震作用下，地震波最大加速度為0.275g。

3 時程分析結果

3.1 非隔震下主橋的抗震計算

在地震作用下，摩擦滑移支座已經開始滑動，結構變為非線性結構，理論上反應譜法只適合于計算線性結構，因此為了提高計算精度，對于非隔震狀態下橋梁的地震反應計算也通過地震波時程分析法進行計算。

在E2地震作用下，第八聯順橋向內力如表1所示。非隔震結構的橋墩頂部位移過大和剪力較大導致板式橡膠支座剪切破壞，同時順橋向橋墩彎矩過大，導致橋墩底部進入強烈的塑性變形，甚至突破塑性鉸極限變形而導致橋墩發生破壞。

表1 順橋向各墩底的內力最大響應(非隔震)

3.2 無GAP隔震支座隔震分析

在地震作用下，普通鉛芯隔震橡膠支座延長了結構的自振周期，地震造成的位移反應主要集中在支座上，同時由于支座進入非線性狀態而耗能，從而減少了橋墩的地震發應。而對于橫橋向，在位移允許的條件下考慮隔震效果，但是必須設置檔塊。

在E1地震作用下，地震水平力合理的分配在各個橋墩中，減少了地震力集中的現象，改善了結構的受力不均勻，支座變形較小，對結構的影響較小，因此不予計算;而在E2地震作用下隔震支座將會大幅度降低墩頂位移，減少橋墩底部的內力。在E2地震作用下，順橋向內力如表2所示。

表2 順橋向各墩底的內力最大響應(無GAP隔質支座隔震)

3.3 有GAP隔震支座隔震分析

由于考慮到現澆混凝土的收縮徐變和使用過程中的溫度變形，造成支座的水平變形，因為橋墩比較高，支座的水平變形大幅度地增加了墩底的彎矩。因此在實際的設計過程中根據施工計算過程和溫度變化對支座造成的變形量，設計了滑動限位式鉛芯隔震橡膠支座和普通鉛芯隔震橡膠支座的混合隔震系統。在E2地震作用下，順橋向橋墩底部內力如表3所示。

表3 順橋向E2地震作用下各墩底的內力最大響應

4 減隔震效果分析

采用合適的鉛芯隔震橡膠支座，通過耗能減震使得橋墩承受的地震力減少。由于鉛芯隔震橡膠支座的水平剛度較小，隔震橋梁的地震位移反應集中在隔震支座上。

E2地震作用下，隔震支座進行了耗能減震有效的減少了橋墩的彎矩和剪力，取得了很好的隔震效果，使得彎矩和剪力合理的分布在各個橋墩中，使得橋墩底部的彎矩和剪力最大減少到達80%以上，保證了結構的安全。

5 結論

(1)在E2地震作用下，采用傳統抗震方式時順橋向的橋墩底部彎矩最大幾乎達到橋墩設計彎矩的3倍，橋墩底部進入強烈塑性狀態，變形超過極限塑性變形從而導致橋墩破壞。

(2)廈漳大橋北汊南引橋采用移動模架施工方式，現澆梁體混凝土。在施工過程中，由于混凝土的收縮、徐變和溫度變形使支座發生變形，最大支座變形可達到100 mm以上，對橋墩底部產生附加彎矩，最大彎矩達到59423 kN·m。因此全部采用普通鉛芯隔震橡膠支座是不合適的。

(3)在混合隔震中，滑動限位式鉛芯隔震橡膠支座在到達限位裝置前，可以自由滑動，使得地震位移反應有效地集中在支座部位，減少了橋墩底部的彎矩和剪力，提高了隔震效果。

(4)由于普通鉛芯隔震橡膠支座和滑動限位式鉛芯隔震橡膠支座的配合使用，改善了橋梁的動力特性，在不過度延長橋梁周期的前提下，有效地降低了橋墩底部的彎矩和剪力，隔震結構橋墩底部彎矩、剪力比非減隔震結構的橋墩底部彎矩、剪力最大減少了80%以上，保證了橋墩底部正截面抗彎和斜截面抗剪的需要。

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