独柱墩连续梁桥横向减震分析

赵 帅 刘文会

(吉林建筑大学交通科学与工程学院，长春 130118)

我国是世界上多地震国家之一，地震对桥梁及社会发展造成巨大损失，因此,对桥梁结构进行抗震设计显得尤为重要.从国内外的大量研究表明,将减隔震装置应用于桥梁结构可以减小桥墩对地震作用的响应,从而保护桥梁结构免受地震破坏,提高桥梁结构的安全性,避免桥梁结构破坏后的修复困难.本文以长春市“两横两纵”快速路立交桥为工程背景,依据《公路桥梁抗震设计细则》对选定的三跨连续梁桥进行抗震设计,为同类桥梁的抗震设计提供参考.

1 减隔震机理和实用装置

1.1 减隔震机理

在地震对桥梁结构造成破坏时,为了提高桥梁的抗震能力,一种有效的办法就是应用减隔震技术.桥梁减隔震设计是通过引入隔震装置改变结构在地震中的动力响应,从而减少地震动输入,减小对桥梁结构的破坏.

1.2 减隔震装置

板式橡胶支座是在桥梁工程中常用的支座,板式橡胶支座在地震作用下其滞回曲线是狭长的,可以近似的取为线形处理,其恢复力模型如图1所示[1].

铅芯橡胶支座是由板式橡胶支座插入铅芯形成的,是集减震和耗能为一体的减隔震装置,可以有效地降低地震动作用力,在桥梁减隔震领域得到了普遍的应用[2].铅芯橡胶支座有较好的滞回特性,其初始剪切刚度可达板式橡胶支座的10倍以上,其屈服后的刚度接近于普通叠层橡胶支座刚度.近些年,铅芯橡胶支座被广泛应用于国内外桥梁的减隔震设计.

在进行铅芯橡胶支座隔震桥梁非线性地震响应分析时,很重要的一步是建立合理的滞回恢复力动力特性模型.我国《城市桥梁抗震设计规范》规定了铅芯橡胶支座的恢复力模型如图2.

图1 板式橡胶支座恢复力模型

图2 铅芯橡胶支座的恢复力模型

2 独柱墩连续梁桥动力分析

2.1 建立有限元模型

本文以长春市“两横两纵”立交桥为工程背景,对选定的独柱墩三跨连续梁桥建立模型.桥梁跨径组合为30 m+30 m+30 m,桥宽9 m,桥墩高度从0号～3号分别为8.1 m,7.8 m,6.5 m,5 m.预应力混凝土箱梁采用C 50混凝土,墩柱采用C 40混凝土，其纵断面图见图3.

本文应用MIDAS CIVIL有限元软件对连续梁桥建立动力模型.全桥考虑下部结构-上部结构的共同协同工作抵抗横桥向地震作用.该桥梁均采用梁单元建立,对球型钢支座与板式橡胶支座采用弹簧单元模拟,铅芯橡胶支座采用弹簧与阻尼并联模拟.桥面铺装及护栏的的重量转换为均布荷载,桩基与土采用墩底固结.全桥模型共计141个单元,146个节点,建立的模型见图4.

图3 连续梁桥纵断面

图4 全桥有限元模型

2.2 输入地震波的选择

在对桥梁进行时程分析时,要保证时程结果的合理性,就必须要选择合理的地震波.一般而言,可供结构时程分析使用的地震波有3种:① 拟建场地的实际地震记录;② 典型的过去强震记录;③ 人工地震波.本文选定的三跨独柱墩连续梁桥位于长春市,抗震设防烈度为7度,场地类型为Ⅲ类,设计基本地震动加速度为0.1g,抗震设防类别为B类,E 2地震作用的抗震重要性系数为1.3.

由《建筑抗震设计规范》[3]可知,采用时程分析法时,应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3.本文对所选桥梁进行E 2地震作用分析,选择了三条地震波,分别为El-Centro波、Northridge波和人工波,三条波的加速度时程曲线如图5～图7所示.

图5 El-Centro波

图6 Northridge波

2.3 计算结果分析

根据《公路桥梁抗震设计细则》[4]规定,对结构时程分析的结果进行讨论时,当采用3组时程波计算时,应取3组时程分析结果的最大值.根据MIDAS计算的支座反力,球型钢支座尺寸采用QDQZ-Ⅱ-3000-e165,板式橡胶支座尺寸根据《JTT 663-2006公路桥梁板式橡胶支座规格系列》采用GJZ 550×650×95(NR),铅芯橡胶支座尺寸根据《JTT 822-2011公路桥梁铅芯橡胶支座》采用J4Q 520×520×217G1.2.采用不同支座时,E 2地震作用对1号桥墩墩底的剪力时程曲线如图8～图10所示.

图7 人工波

图8 采用球型钢支座1号墩墩底剪力时程

图9 采用板式橡胶支座1号墩墩底剪力时程

图10 采用铅芯橡胶支座1号墩墩底剪力时程

对桥墩的内力时程结果进行分析总结(见表1).根据《公路桥梁抗震设计细则》，在E 2地震作用下,经过MIDAS计算,1号墩墩顶的容许位移Δu1=69.1 mm,2号墩墩顶位移Δu2=49.4 mm.

表1 E2地震作用横桥向地震响应值

由表1可知,1号墩和2号墩墩顶位移均未超过其容许值,铅芯橡胶支座减震效果是最优的.

3 结论

(1) E 2地震作用下,铅芯橡胶支座的减震效果明显,相对板式橡胶支座与球型钢支座而言,大幅度减小了桥墩墩底的剪力和墩底的弯矩;

(2) 由于铅芯橡胶支座的隔震阻尼作用,耗散了地震的能量,减小了地震力对桥梁结构的作用.尤其对于横向稳定系数较低的独柱墩连续梁桥,采用铅芯橡胶支座提高了其稳定性;

(3) 由于铅芯橡胶支座的滞回面积远大于板式橡胶支座和球型钢支座,对桥梁下部结构的减震起到了很大作用.

参 考 文 献

[1] 蒋建军,李建中,范立础.桥梁板式橡胶支座与粘滞阻尼器组合使用的减震性能研究[J].公路交通科技,2005(8):44-48.

[2] 李建中,辛学中.连续梁桥减震、隔震体系非线性地震反应分析[J].地震工程与工程振动,1998,18(3):67-73.

[3] 中华人民共和国建设部.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[4] 中华人民共和国交通部.公路桥梁抗震设计细则(JTJ/T B02-01-2008)[S].北京:人民交通出版社,2008.