簡(jiǎn)支梁拱組合橋鉛芯橡膠支座減震特性研究

摘 要：以一座130m簡(jiǎn)支梁拱組合橋?yàn)槔?，采用ANSYS軟件對(duì)非隔震設(shè)計(jì)的盆式橡膠支座和減隔震設(shè)計(jì)的鉛芯橡膠支座進(jìn)行對(duì)比分析，比較2種支座設(shè)計(jì)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震效果。

關(guān)鍵詞：鉛芯橡膠支座；簡(jiǎn)支梁拱組合橋；減隔震；ANSYS

引言

隨著國(guó)家日益繁榮，大跨度橋梁在建和已建項(xiàng)目日益增多。其中拱橋由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式有利于大跨度橋梁的受力特點(diǎn)，而且外形美觀、造價(jià)低、施工方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，因此在我國(guó)的橋梁建設(shè)中應(yīng)用的十分廣泛，其在地震作用下的響應(yīng)也受到越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)于地震作用，傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的對(duì)策是通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身抗力和延性來(lái)抵抗地震作用，但拱橋被認(rèn)為是抗震性能相對(duì)很差的橋型，其軸壓比通常較大，導(dǎo)致延性較低，難于設(shè)計(jì)成延性抗震結(jié)構(gòu)來(lái)吸收地震能量；而要靠自身抗力來(lái)抵抗地震作用又非常困難，要付出很大的代價(jià)，是一個(gè)不科學(xué)不經(jīng)濟(jì)的辦法。因此，減隔震設(shè)計(jì)是一個(gè)非常好的方法。

1 工程概括及有限元模型

南河特大橋位于國(guó)道主干線南京至杭州高速公路上，主橋?yàn)橄鲁惺綗o(wú)推力簡(jiǎn)支梁拱組合橋，采用剛性系桿剛性拱結(jié)構(gòu)，孔徑為129.88m，分為左右兩幅。采用有限元分析軟件ANSYS建立全橋空間有限元模型，拱肋、橋墩、系梁和橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，橋面系采用空間殼單元模擬，吊桿采用空間索單元模擬，橋面鋪裝和二期橫載作為殼單元的附加質(zhì)量，鉛芯橡膠支座和盆式橡膠支座均采用非線性彈簧單元模擬。有限元模型如圖1所示。

2 時(shí)程分析法

時(shí)程分析方法主要優(yōu)點(diǎn)是概念明確，能反映地震三要素，同時(shí)還可以處理線性、非線性問(wèn)題，可以分析一致激勵(lì)、多點(diǎn)非一致激烈等情況。求解的方法可以分為兩類：振型疊加法和直接積分法。振型疊加法是采用振型的正交性質(zhì)，對(duì)原方程進(jìn)行方程形式的變化，對(duì)變化后的方程進(jìn)行數(shù)值求解，求解以后再通過(guò)振型坐標(biāo)變換公式疊加在一起，得原方程的解。直接積分法是指對(duì)運(yùn)動(dòng)方程不進(jìn)行方程形式的變換而直接進(jìn)行逐步數(shù)值積分。由于隔震模型的剛度矩陣為變剛度矩陣，所以本文采用直接積分法進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算。通常的直接積分法是基于兩個(gè)概念，一是將時(shí)間域進(jìn)行離散，離散后的方程近似等于原方程；二是在Δt區(qū)域內(nèi)，假設(shè)位移，速度和加速度的函數(shù)形式。

2.1 2種支座模型

為進(jìn)行對(duì)比研究，分析計(jì)算包括盆式橡膠支座非隔震橋梁地震動(dòng)力時(shí)程分析和鉛芯橡膠支座隔震橋梁地震動(dòng)力時(shí)程分析。2種模型支座參數(shù)如下：

（1）模型1：盆式橡膠支座。對(duì)于活動(dòng)盆式橡膠支座用COMBIN

40單元模擬，COMBIN40單元的實(shí)常數(shù)采用《細(xì)則》規(guī)定計(jì)算，則K1=2×108N/m，F(xiàn)SLIDE=400kN，K2=0。

（2）模型2：鉛芯橡膠支座。對(duì)于鉛芯橡膠支座選用了某廠家的CLRB1350鉛芯橡膠支座，參數(shù)如下：屈服后剛度為5×106N/m，屈服力為400kN，等效剛度為6.6×106N/m，取屈服前剛度為屈服后剛度的10倍。COMBIN40單元的實(shí)參數(shù)為K1=4.5×107N/m，F(xiàn)SLDE=400kN，K2=5×106N/m。

2.2 地震動(dòng)輸入

根據(jù)南河特大橋的橋位地質(zhì)條件和該區(qū)地震烈度查詢《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），可得該橋特征周期Tg為0.40s，屬于Ⅱ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7度，E1抗震重要性系數(shù)取值為0.5，E2抗震重要性系數(shù)為1.7，場(chǎng)地系數(shù)取值為1.0，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值取值為0.2g?，F(xiàn)只對(duì)南河特大橋進(jìn)行E1水準(zhǔn)作用下的時(shí)程分析，荷載組合為順橋向+橫橋向+0.3倍順橋向。地震波選取如圖2進(jìn)行時(shí)程分析。

2.3 2種模型動(dòng)力特性比較

分別采用ANSYS軟件計(jì)算非隔震模型和隔震模型的固有頻率和振型，2種模型前10階的計(jì)算結(jié)果可以看出：模型2較模型1延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的周期，且符合減隔震設(shè)計(jì)橋梁固有周期比不采用減隔震裝置時(shí)固有周期的兩倍以上。

2.4 2種模型內(nèi)力響應(yīng)、位移響應(yīng)比較

由表1和表2可以看出，隔震模型的橋墩內(nèi)力響應(yīng)比非隔震模型小，鉛芯橡膠支座具有明顯的減震效果，順橋向剪力最大減震率達(dá)到了44.9%，橫橋向剪力最大減震率達(dá)到了36.3%，順橋向彎矩最大減震率達(dá)到了27.6%，橫橋向彎矩最大減震率達(dá)到了40.6%。設(shè)計(jì)中采用鉛芯橡膠支座可以大幅度減小墩底剪力和彎矩。

3 結(jié)束語(yǔ)

鉛芯橡膠支座降低了結(jié)構(gòu)的低階頻率，約45%，但是越高階的頻率影響越小。設(shè)計(jì)的鉛芯橡膠支座具有明顯的減震效果，可以大幅度減小各墩墩底剪力及墩底彎矩。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG/T B02-01-2008.公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)，2008.

[2]范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介：鄭貴元（1990-），男，漢族，重慶市渝中區(qū)人，碩士研究生，研究方向：主要從事橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力、穩(wěn)定性及空間非線性分析方面的工作。