自錨式懸索橋縱向隔震參數分析

郭子華

摘要：為了研究縱向設置鉛芯橡膠支座的自錨式懸索橋地震作用下的動力響應，以某自錨式懸索橋為背景，使用通用有限元軟件Midas/Civil建立模型，采用非線性時程分析方法，分別考慮了鉛芯橡膠支座布置在邊墩、輔助墩和主塔等不同位置處以及鉛芯直徑變化情況下橋梁的縱向地震響應，與未安置鉛芯橡膠支座的工況對比。分析結構表明：在邊墩和輔墩處安置鉛芯橡膠支座能起到很好的隔震效果，在多遇地震作用下主塔和邊墩處軸力最大減震率分別為19.7%和34.1%；主塔彎矩最大減震率為8.97%。

關鍵詞：自錨式懸索橋；非線性時程分析；鉛芯橡膠支座；隔震率

Abstract：In order to consider the dynamic response of the self anchored suspension bridge under the earthquake， based on a self anchored suspension bridge， a model was established by Midas/Civil finite element software and the longitudinal seismic response of the bridge was analysedunder the position change（placement at side pier， auxiliary pier and main tower） of the lead rubber bearing and the change of lead core diameter through nonlinear history analysis method， compared with the condition without placement the lead rubber bearing. The analysis shows that： the lead rubber bearing placement in the side pier and the auxiliary pier can play a very good isolation effect.The maximum isolation rate of axial forceat the main tower and side pier are 19.7% and 34.1% respectively； and the maximum isolation rate of bending moment at the main tower is 8.97%.

Keywords： self-anchored suspension bridge； nonlinear history analysis； lead rubber bearing； isolation ratio

0引言

自錨式懸索橋具有受地形限制小，受力明確，節省鋼材，經濟美觀等優點，在中小型橋梁選型中具有較大優勢。由于地震運動的隨機性和空間變化性，以及自錨式懸索橋具有的長周期和非線性特性，地震響應分析變得非常復雜[1]-[6]。

本文以某自錨式懸索橋為背景，設計了三種隔震方案，采用非線性時程分析方法，分析了鉛芯橡膠支座參數變化時地震作用下自錨式懸索橋的隔震效果，與僅用普通橡膠支座的自錨式懸索橋做對比，并對各方案的隔震效果進行了評價。

1工程概況

某自錨式懸索橋，場地類別為二類，基本烈度為Ⅶ度，主跨為160m，邊跨為70m，錨固跨為15m，全長為15+70+160+70+15=330m，主梁為五跨連續箱梁，主纜中心距為26.5m，吊索沿順橋向間距5m。主纜中跨矢跨比采用1/6，主橋梁底均采用GPZ型盆式橡膠支座。主跨布置如圖1所示。

2有限元模型的建立

2.1鉛芯橡膠支座的模擬及參數選擇

鉛芯橡膠支座是有薄橡膠片和薄剛片相互交錯疊置，在中間插入鉛芯組合而成。橡膠片提供變形能力增加支座的柔度，延長結構的自振周期；剛片限制了橡膠的橫向變形，增加了支座豎向剛度；鉛芯具有很好的滯回耗能性能。鉛芯橡膠支座的荷載-變形曲線是非線性的[7][8]，本文采用雙線性模型[9]（見圖2），以非線性彈簧單元模擬鉛芯橡膠支座的非線性力學行為；將普通橡膠支座簡化為直線性模型。本文選取不同型號的鉛芯橡膠支座（鉛芯直徑不同），設置了三種隔震方案（鉛芯橡膠支座安置在邊墩和輔墩；鉛芯橡膠支座安置在橋塔；鉛芯橡膠支座同時安置在邊墩、輔墩和橋塔）。本文所選取的鉛芯橡膠支座參數見表1。

2.2全橋模型建立

采用Midas/Civil有限元軟件，建立了三維有限元模型，主梁采用脊梁模型，將各個單元的剛度和質量都集中在中間節點上。主梁、索塔和橫梁采用空間梁單元，主纜和吊桿選用桁架單元的模擬。主梁與主塔之間縱向相對自由， 橫向主從約束；主梁與邊墩之間用主從約束來約束主梁橫橋向、豎向及繞橋軸線方向的轉動；放松縱向及繞橫軸的轉動。

3地震波選取

該結構物處于二類場地，按Ⅶ度設防，按照《公路橋梁抗震設計細則（JTGT B02-01-2008）》中有關E1地震作用中的參數確定設計加速度反應譜，水平向設計基本地震動加速度峰值為0.10g，在多遇地震下時程分析所用水平設計加速度反應譜最大值為0.225g，特征周期為0.40s。選取與橋址類別相近的強震記錄作為地震激勵，加速度為0.357g，持時為53.7S的地震加速度時程圖，見圖3。

在地震波輸入時，地震波的強度按式（1）進行了調整[10]，調整后各條波的加速度峰值為0.225g。此調整并不改變地震波的頻譜特性和持時，僅改變了地震波的振幅。

（1）

其中， 、 分別為調整后的地震加速度曲線與峰值； 、 分別為原地震加速度曲線與峰值。

4地震反應及分析

4.1結構的內力分析

定義采用鉛芯橡膠支座的隔震率λ來比較減震效果，其公式為：

（2）

式中：λ為隔震率，P減震前為未設置鉛芯橡膠支座的地震響應，P減震后為設置了鉛芯橡膠支座的地震響應.地震作用下三種方案中內力變化隨鉛芯直徑變化如下圖所示，由于圖形對稱，故取左邊結果進行分析。

圖4中的數據表明：未采取隔震措施時左塔彎矩為528KN？m，左邊墩彎矩為0；采取隔震措施之后左塔和左邊墩彎矩如圖4所示。說明方案二對左塔彎矩和左邊墩彎矩沒影響。這是因為鉛芯橡膠支座的剛度與主塔剛度并聯，由于主塔剛度較高，疊加之后仍約等于主塔剛度，而彎矩是根據剛度分配的。方案一和方案三能降低塔內彎矩，最大隔震率為8.97%；但是相應的會少量增加邊墩彎矩。這是因為鉛芯橡膠支座的剛度與邊墩和輔墩剛度并聯，邊墩和輔墩剛度較小，并聯之后的剛度增大，故而分配到的彎矩會增大。隨著鉛芯直徑的增加，隔震率略有增大。

圖5中的數據表明：未采取隔震措施時左塔軸力為7.97KN，左邊墩軸力為75.6KN；采取隔震措施之后左塔與邊墩的軸力如圖5所示。說明方案二對左塔軸力和左邊墩軸力無影響。方案一和方案三能降低左塔和左邊墩軸力，隨著鉛芯直徑的增大減震率略微增大，最大隔震率分別為19.7%和34.1%。減震效果明顯，極大的改善了內力的分布。

4.2結構的位移分析

未采取隔震措施時，主梁、邊墩和主塔在地震作用下的位移分別為0.132mm，0mm，0.114mm.采取隔震措施后主梁、邊墩和主塔位移如圖6所示。方案二對主梁、邊墩和主塔的位移無影響。方案一和方案三會增大主梁、邊墩和主塔的位移，其中主梁和主塔位移隨鉛芯直徑增大而減小，邊墩位移隨鉛芯直徑的增大而增大。

可見，方案一和方案三在有效減小結構內力的同時增大了結構的位移。而方案一和方案三對橋梁隔震的影響效果基本一致，從經濟方面考慮方案一為最佳隔震方案。

5結論

（1）在主塔處安置鉛芯橡膠支座基本不影響結構內力及位移，也不影響安置在橋墩和輔墩處的鉛芯橡膠支座隔震性能。

（2）在自錨式懸索橋的橋墩、輔墩處安置鉛芯橡膠支座隔震效果顯著，鉛芯直徑越大減震效果越大。但是安置鉛芯橡膠支座會增大邊墩和主塔的位移。在多遇地震作用下主塔和邊墩處軸力最大減震率分別為19.7%和34.1%；主塔彎矩最大減震率分別為8.97%。

參考文獻：

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