減隔震支座對曲線梁橋抗震性能影響的研究

林永楷

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安　710068）

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減隔震支座對曲線梁橋抗震性能影響的研究

林永楷

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710068）

摘要：以西安市某立交曲線橋為工程背景，在以往學者研究的基礎上，總結了橋梁常用減隔震裝置的力學特點和數值模擬方法，并運用非線性時程分析方法，研究減隔震橡膠支座對曲線橋結構內力和位移響應的影響，分析比較了普通支座與幾種常用減隔震支座的抗震性能，為橋梁減隔震設計提供參考。

關鍵詞：減隔震支座，曲線梁橋，時程分析，結構內力，位移響應

0　引言

減隔震技術作為一種抗震方法，自20世紀70年代以來，已受到橋梁結構工程師們的廣泛關注，并已大量應用于橋梁結構上。橋梁上常用的典型減隔震裝置有板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑動摩擦支座、液體粘滯阻尼器等。

一般來說，通過正確的“抗震”設計可以保證結構的安全，防止結構的倒塌，而結構構件的損傷是不可避免的。減隔震技術是一種簡便、經濟、先進的工程抗震手段。通過選擇適當的減隔震裝置與設置位置，可以達到控制結構內力分布與大小的目的。本文將減隔震支座應用于曲線梁橋上進行分析研究，得出一些有益的結論，供工程建設參考。

1　橋梁減隔震的機理

減隔震技術主要利用結構地震反應的以下兩個原理：一方面雖然地震動的頻率成分非常復雜，但是地震能量一般集中在一個頻率范圍；另一方面，由于阻尼具有耗散振動系統能量的作用，結構的阻尼越大，結構的地震反應越小。

概括起來，減隔震技術的工作機理可分為三個方面：1）采用柔性支撐以延長結構振動周期，減小結構的地震反應；2）采用阻尼器式能量耗散元件，以限制結構位移；3）保證結構在正常使用荷載作用下有足夠的剛度。

2　研究內容

與傳統的采用普通支座的無隔震曲線梁橋相比，隔震曲線梁橋地震響應特性及分析過程有很大的差異［1-7］。由于減隔震支座的非線性，使得隔震曲線梁橋在設計階段就不可避免地涉及到結構的非線性響應。考慮到曲線梁橋自身特性的影響，使得隔震曲線梁橋的地震響應異常復雜，并且是反應譜理論所無法解決的。因此，研究減隔震支座對曲線梁橋的線性、非線性和彈塑性動力反應的影響機理，成為現代曲線梁橋抗震體系發展亟需解決的問題。

3　工程實例

3.1工程概況

某立交輔道橋，位于西安市北郊，所研究聯跨徑布置為3× 25 m現澆預應力混凝土連續箱梁。本橋位于直線段和A = 149. 778，半徑R =217. 8 m，A =149. 778右偏平曲線上及直線段。本文主要研究其中的第5聯，其立面、平面和典型橫斷面如圖1所示。

圖1　橋梁示意圖

項目抗震設防烈度為8度，地震動峰值加速度為0. 2g，設計特征周期Tg=0. 40 s；該橋場地地貌單元為渭河一級階地，地勢比較平坦，設計建筑場地類別為Ⅱ類。

3.2有限元模型

主梁、蓋梁均采用彈性的空間梁單元模擬；潛在塑性鉸區的墩柱采用纖維梁單元模擬，其余部位墩柱采用彈性空間梁單元模擬。盆式活動支座和盆式固定支座均采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬。本橋墩柱直徑140 cm，保護層厚度5 cm，縱向受力鋼筋環向等間距布置。約束混凝土劃分成128個網格，保護層無約束混凝土劃分成16個網格，每根鋼筋一個網格，共計188個纖維網格。

3.3減隔震分析

1）支座模型選擇及剛度計算。計算中采用如圖2所示支座布置形式（括號外數字為非隔震支座（一般盆式支座）編號，括號內數字為高阻尼橡膠支座編號）。

圖2　支座布置圖

其中，Gd為板式橡膠支座的動剪切模量，一般取1 200 kN/m2；Ar為橡膠支座的剪切面積，m2；∑t為橡膠層的總厚度。

根據《公路橋梁板式橡膠支座規格系列2006》選取其GJZ，GYZ規格中的第31和71序號的規格參數，主要規格參數如表1所示。

a.非隔震支座（普通盆式支座）模型選擇及剛度。普通盆式支座，作為一種硬抗型支座，其剛度選擇可按以下方法選擇：對于固定方向的水平剛度可以輸入一個較大值，如1×107kN/m，對于活動方向的水平剛度可以簡單的輸入0 kN/m，也即該方向剛度為0。

b.一般板式橡膠支座模型選擇及剛度。根據《城市橋梁抗震設計規范2011》在結構抗震分析時可采用線性彈簧單元模擬，其剪切剛度可按式（1）計算：

表1　板式橡膠支座參數

c.高阻尼橡膠支座恢復力模型選擇及剛度。采取高阻尼橡膠支座形式的模型，其支座型號及剛度取值按《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座2012》以承載力為依據查取，最終選擇序號為6及15的圓形支座規格，其采用雙線性力學模型來模擬非線性特性。高阻尼橡膠支座的計算參數見表2。

表2　高阻尼橡膠支座剛度取值

2）地震波的選取與輸入。為了較為準確的模擬地震全過程結構抗震性能評估，本文選取非線性動力時程分析方法，根據規范確定該橋抗震設計方法分類為A類，利用PGMD選取地震波，用于E2地震作用下的抗震計算，地震波輸入方向本文采用的方法是輸入角度從0°～180°以一定角度遞增分析控制參數隨著輸入角度的變化規律，然后在分析不同的控制參數時，選取相應的最不利輸入角度。

4　結果分析

4.1第一階模態及墩底順橋向最大彎矩對比

非隔震支座（普通盆式支座）與高阻尼隔震橡膠支座的第一階模態及墩底順橋向最大彎矩對比圖見圖3～圖5。

由圖3～圖5可見，采用高阻尼隔震橡膠支座相對于采用非隔震支座避免了固定墩受力較大的狀態，極大的耗散了地震能量，有效避免了強震作用下固定墩處的巨大彎矩，而不使固定墩墩底提前進入塑性狀態發生彎曲破壞，大大降低震后的修復難度，且各中墩受力均勻，水平力分散效果好。

圖3　第一階模態（非隔震支座）

圖4　第一階模態（高阻尼橡膠支座）

圖5　墩底順橋向最大彎矩對比

4.2隔震率對比

1）高阻尼隔震橡膠支座與非隔震支座在E2地震下隔震率對比結果表明，采用高阻尼隔震橡膠支座相對于采用非隔震支座對固定墩有很好的隔震效果，縱橫向墩底最大彎矩隔震率達到31%～50%，縱橫向墩底最大剪力隔震率達到40%～71%，對于墩底最大剪力的隔震率更加顯著，從而可以對橋墩不進行延性設計而達到很好的抗震效果，也大大的降低了地震破壞下的支座修復難度。

2）高阻尼隔震橡膠支座與一般板式橡膠支座在E2地震下隔震率對比結果表明，采用高阻尼隔震橡膠支座相對于采用一般板式橡膠支座對固定墩有較好的隔震效果，縱橫向墩底最大彎矩隔震率達到20%～49%，縱橫向墩底最大剪力隔震率達到20%～37%。

3）E2地震下分別采用兩種支座（一般板式橡膠支座、高阻尼減隔震支座）計算在E2地震作用下的支座位移，其計算結果表明，在E2地震作用下兩種不同型號支座的縱橋向與橫橋向計算位移均超過了普通板式橡膠支座的容許位移，普通板式橡膠支座橫橋向與順橋向均不能滿足E2地震下的位移與受力要求，且普通板式支座僅由摩擦力作用來與梁、墩進行有效連接，支座在地震下有可能滑移，破壞或失效，主梁在地震下的受力難以保證，主梁在地震下的位移會進一步增大，產生不可恢復的變形，易發生落梁。

對于高阻尼隔震支座，E2地震作用下不同型號支座的順橋向與橫橋向計算位移都小于高阻尼隔震橡膠支座的容許位移，且有較大富余，支座滿足地震下位移和受力要求，且設計較為經濟合理。

4）墩頂順橋向、橫橋向位移驗算結果表明，E2地震作用下，非隔震支座狀態與板式橡膠支座狀態的固定墩墩頂順橋向位移大于墩柱容許位移，不滿足橋墩延性抗震要求，而只有高阻尼隔震支座狀態固定墩與過渡墩墩頂順橋向位移都小于墩柱容許位移，滿足橋墩延性抗震要求，達到了隔震的效果。

關于墩頂橫橋向位移驗算，限于篇幅，本文不再展開。

5　結語

在現代交通網絡中，由于用地空間、線形美觀以及功能的要求，經常需要修建曲線橋梁，而且小半徑曲線橋應用越來越廣泛。本文通過工程實例，對曲線梁橋分別采用高阻尼隔震橡膠支座、非隔震支座及一般板式橡膠支座進行了分析對比，分析過程可供公路、鐵路等領域作為設計參考。

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Study on seismic performance of curved prestressed concrete bridge with seismic isolation support

Lin Yongkai
（CCCC First Highway Consultants Co.，Ltd，Xi’an 710068，China）

Abstract：Taking Xi’an city some interchange auxiliary bridge as engineering background，on the basis of past research，the mechanical characteristics and numerical simulation method of the isolation device used for bridge are summarized，the effect of the nonlinear time history analysis method on the internal force and displacement response of the curved bridge is studied by using the nonlinear time history analysis method. Analysis the seismic performance of the general support and several common used to reduce the seismic isolation support，provide reference for bridge seismic isolation design.

Key words：seismic isolation support，curve beam bridge，time history analysis，structural internal force，displacement response

中圖分類號：U441. 3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0186-03

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：林永楷（1984-），男，工程師