震災區大跨橋梁減震技術數值分析研究

賈 淵 白 航

(河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

1 引 言

地震作為大自然非人為可控制的災害，對橋梁危害尤為嚴重，由于我國也是地震多發國，面臨以上問題，對各種橋梁抗震的研究具有重要意義[1-2].如何能提高橋梁的抗震性能提高橋梁可靠性，減少地震對橋梁工程的損害，成為當今橋梁發展中的一個難題[3].

對于傳統橋梁抗震主要通過增加橋梁的強度、延展性、剛度來實現，即通過橋梁自身吸收地震能量來進行抗震[4].但是如何采取其他措施來提高橋梁抗震能力，如何通過現有技術提高現有橋梁抗震能力，最好的方式是從現有已經被地震破壞的橋梁展開研究，對各種破壞機理、模式進行合理的分析，利用現有的數據及資料進行現有破壞橋梁的歸納總結，對將來橋梁設計及施工都有很寶貴的參考價值[5].

對于橋梁抗震方面的研究國內起步較晚，但仍然取得了豐碩的研究成果，葉獻國[6]通過對地震頻譜分析與橋梁震動頻譜分析相結合，提出能量譜方法在橋梁抗震中的有效性.其后，葉燎原[7]對能量譜進行了更加詳細的介紹，對能量譜工作性質及原理進行說明.聶利英[8]通過非線性理論分析，研究橋梁在地震條件下產生的碰撞影響，并比較滑動支座與橡膠支座的優劣，為橋梁支座抗震研究做出了巨大貢獻.張勤[9]以汶川地震破壞橋梁作為研究對象，對國內橋梁抗震設計提出問題，同時對比國外橋梁抗震設防標準，提出我國在橋梁抗震設計當中的改進，為以后橋梁抗震計算方式及橋梁抗震標準的改善提供了參考.

基于上述分析，本文先對地震對橋梁危害進行分析，運用有限元軟件ABAQUS，采用兩種支座形式：板式橡膠支座和高阻尼橡膠支座，從自振頻率、支座水平受力、梁位移、支座位移及墩頂位移作為研究對象進行比較，得到的結果為橋梁抗震設計中支座結構的選擇提供參考.

2 模型建立

2.1 橋梁模型建立

通過ABAQUS軟件建立模型，模型建立抗震設防烈度為8度，場地類型為2類，橋梁阻尼比不超過0.05，本模型中采用阻尼比為0.05.該橋梁結構分為5跨，每跨長度為40 m，墩高設置為30 m，選擇整個橋梁作為研究對象，中間梁采用3×40 m+3×40 m箱梁，并且采用2.5×6 m薄壁橋墩，對于模型采用非線性時程分析方式，支座和橋墩都采用固結的方式處理.

建立橋梁模型如圖1、2所示.

圖1 40m橋梁模型

圖2 40m橋梁模型網格劃分

2.2 模型參數

建立模型的時候邊界條件、截面屬性、材料參數都是按照實際情況確定，橋模型材料型號如下表1所示，橋體材料基本屬性如表2所示.

表1 橋模型材料型號

表2 材料屬性

3 數值結果分析

本文選擇40 m跨度橋梁，對整體橋梁參數進行分析，橋墩高度分別為3、6、9及12 m，摩擦系數為0.35、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10，以支座位移、結構自振頻率、水平力、梁位移、支座位移及墩頂位移作為研究對象，通過比較分析得到結果如下.

3.1 墩高及摩擦系數對支座位移影響分析

為了研究墩高與摩擦系數對支座性能的影響，本模型中選擇墩高為3、6、9、12 m.摩擦系數分別為0.35、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10，支座規格尺寸都為720×720×294，剛度為2.7 kN/mm，改變支座形式，以支座位移作為評價標準，地震波方向設定為橫向、縱向及豎向進行設定，具體結果如表3、4所示.墩高12 m、摩擦系數0.25時支座抗震性能高低主要通過回歸曲線確定，回歸曲線如圖1、2所示.

表3 在地震波作用下板式橡膠支座產生的支座位移

表4 在地震波作用下高阻尼橡膠支座產生的支座位移

圖1 板式橡膠支座滯回曲線 圖2 高阻尼橡膠支座滯回曲線

從圖1和圖2所示展現出不同形式橡膠支座條件下做出的回歸曲線，從兩者回歸曲線可知：板式橡膠支座與高阻尼橡膠支座都有很好的抗震性能，而且能夠達到很好的吸能效果，但是兩者比較可知，受同樣地震波作用下，板式橡膠支座位移較大，故相對高阻尼橡膠支座抗震性能較差一些.從表3和表4可知：例如在墩高3 m、摩擦系數為0.1條件下，板式橡膠支座位移為242 mm，而高阻尼橡膠支座位移為187 mm，相對位移增加了23.73%.

表5 不同支座形式結構自振頻率

3.2 兩種支座形式動力響應分析

對橋梁抗震性能分析最主要研究方式是對其動力分析，把橋梁當做一個連續梁，然后分析其動力響應.采用不同支座設計方案，經過有限元分析計算得到如表5所示的前5階自振頻率.

從表5中可以得到：與高阻尼橡膠支座相比，板式橡膠支座能夠很好的降低橋體自振頻率，即可以降低地震對橋梁本身的影響，從而可知，當地震來臨時，采用板式橡膠支座能夠大幅度降低上部結構對下部結構的影響.

3.3 兩種支座形式下結構地震響應分析

為了研究不同支座形式作用下結構地震響應，選用三條地震波作用于橋梁，通過時程分析法，以支座水平反力、梁位移、支座位移、墩頂位移作為評價標準，得到結果如表6-9所示.

表6 支座水平反力

表7 梁位移

表8 支座位移(剪切變形)

表9 墩頂位移

從以上表6～9可知，上述兩種支座形式都能夠很好的起到減震效果，使墩頂位移大幅度減小，特別是高阻尼橡膠支座對梁體的位移影響更大，但是兩者比較可以得出，板式橡膠支座在地震作用下產生更大的位移，相對于其他支座位移增大了20%-30%之間，而且其成本方面還要高于高阻尼橡膠支座，故橋梁抗震設計中不建議采用板式橡膠支座作為抗震結構.而高阻尼橡膠支座具有很好的自復能力，地震后能夠很好的達到穩定狀態，故應該被推薦.

4 結 論

文章通過有限元軟件ABAQUS對不同支座形式下橋梁動力響應進行計算分析，以結構自振頻率、支座水平反力、梁位移、支座位移、墩頂位移作為評價標準，得出以下結論：

(1)板式橡膠支座與高阻尼橡膠支座都有很好的抗震性能，而且能夠達到很好的吸能效果，但是兩者比較可知，受同樣地震波作用下，板式橡膠支座位移較大，故相對高阻尼橡膠支座抗震性能較差一些.

(2)板式橡膠支座能夠很好的降低橋體自振頻率，即可以降低地震對橋梁本身的影響，從而可知，當地震來臨時，采用板式橡膠支座能夠大幅度降低上部結構對下部結構的影響.

(3)板式橡膠支座在地震作用下產生更大的位移，相對于其他支座位移增大了20%-30%之間，而且其成本方面還要高于高阻尼橡膠支座，故橋梁抗震設計中不建議采用板式橡膠支座作為抗震結構，應該采用高阻尼橡膠支座.