E型钢阻尼支座在桥梁减震中的应用

梁伟，李宁

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

5·12汶川地震以来桥梁工程的抗震设计引起了人们的高度重视，目前提高桥梁抗震性能的方法主要有:①通过改善结构自身的抗震性能(强度、刚度、延性)来减小地震危害;②对结构施加控制装置，由控制装置与结构共同承受地震作用。相对于第一种方法，对结构施加控制装置的方法将能更经济、有效地提高结构的抗震能力。

本文主要以建造在II类场地、8度地震烈度区厦门—深圳线的尚书特大桥为例，针对其在设计地震烈度和罕遇地震烈度下，分别进行了地震响应时程分析;分析中分别就有无E型钢阻尼支座的两种工况进行了讨论。通过上述分析及讨论，研究了减隔震技术在桥梁上的应用产生的效果。

1 E型钢阻尼支座介绍

E型钢阻尼支座(图1所示)是在弹塑性钢阻尼器的基础上研发的一种新型软钢支座。该支座将E型钢阻尼器与普通支座整合到一起，使之兼有竖向支撑和水平滞回耗能的作用，并具有结构形式简单、外形美观、便于批量生产等优点。

图1 E型钢阻尼支座

E型钢阻尼支座的力学机制实质上就是通过E型钢塑性变形来消耗地震能量，其耗能的原理是利用具有低屈服点的金属材料在发生塑性变形时不至发生应变集中，并且屈服比越小，塑性区面积越大，地震时耗散能量越明显。

2 分析模型的建立

尚书桥是简支梁桥，建立全桥模型似乎并不完全必要。为了达到本项研究的目的，同时节省运算时间，我们选取了一个具有不同墩高的4跨典型桥梁模型开展地震响应分析。墩底的边界条件为考虑墩土相互作用，地震荷载仅施加在桥的纵向。为了进行时程分析，我们选用了El Centro地震波，同时考虑了两种地震烈度对桥梁的作用:⑴设计地震烈度;⑵罕遇地震烈度。

2.1 工程实例

厦－深线尚书特大桥属于钢筋混凝土简支梁桥，由59跨组成，包括1×24 m和54×32 m简支梁及(40+2×56+40)m四跨连续梁。墩高从3 m至10 m不等，基础由摩擦桩群组成。梁体截面为箱型梁，梁体由盆式支座支撑在墩上，一端是固定支座，另一端只允许梁体在桥的纵向发生位移。

2.2 有限元计算模型的建立

此桥全部采用梁单元建模，取全桥的2、3、4、5跨进行分析。4跨模型总共58个单元，其中主梁16个单元，墩及承台26个单元，其余为支座连接单元和支座垫石单元。其中桥墩的编号从左到右依次为2#、3#、4#、5#和6#;主梁的编号从左到右依次为2#、3#、4#、5#(见图2)。E型钢阻尼支座模型在MIDAS里用一般连接模拟。在初始的地震响应分析中，桩用梁单元进行模拟，桩基础与结构的相互作用直接采用弹簧单元模拟。

图2 有限元计算模型

3 地震记录的选用

为了检验近源地震波的影响，选取El Centro波，并根据尚书桥所在地理位置的场地类型按照规范的设计谱对其加以修正，使修正后的地震波生成的加速度反应谱曲线与该地区的设计谱曲线达到基本相符合。根据规范查得尚书桥设防烈度为8度，Ⅱ类场地。按设计地震水平地震基本加速度为a=0.2g，修改的地震波记为修正的El Centro波。图3显示了修改后的El Centro波。图4、图5显示了修正Elcentro波反应谱与该地的设计谱的对比。

图3 修正的Elcentro波

图4 修正的Elcentro波生成的反应谱

图5 该地区的抗震设计谱

由图4、图5对比可以看出，按场地类别及设计地震水平地震基本加速度值修正的地震波，得到的地震反应谱与规范设计谱基本吻合。因此经修改后得到的地震波可作为尚书特大桥计算地震响应的地震波。

4 计算结果和分析

4.1 计算理论

在本分析中，采用了时程分析方法，其控制动力方程如下:

式中:［M］是质量矩阵;［C］是阻尼矩阵;{F}是不平衡力矩阵;是地面加速度。在无E型钢阻尼支座时，考虑桥梁的地震响应为线弹性响应，当有E型钢阻尼支座时，考虑桥梁的地震响应为非线性响应，但是非线性响应仅来自于E型钢阻尼支座。

在分析中，采用了集中质量矩阵。阻尼直接采用了瑞利阻尼，如式(2)所示，式中α和β可由特征向量分析产生的频率和模态阻尼确定。

式中:［M］是结构的质量矩阵;［K］是结构的刚度矩阵;α为质量因子;β为刚度因子。

式中:ξ为阻尼比;ωi与ωj分别为第i阶和第j阶模态的自振频率。

4.2 有限元结果和分析

(1)限于篇幅仅列出桥梁布置E钢阻尼支座的最大内力(罕遇、设计)，如图6～图9所示。

(2)以4号墩上的E型钢阻尼支座为例，研究在受地震作用时阻尼支座的耗能特性。滞回曲线的面积表示支座内力所做的功，即为耗散的地震能量。图10、图11显示了E钢阻尼支座良好的耗能特性。

(3)为了实际说明E钢阻尼支座的减震效果将墩底受力列于表1。

图6 设计地震下的最大弯矩(kN·m)

图7 设计地震下的最大剪力(kN)

图8 罕遇地震下的最大弯矩(kN·m)

图9 罕遇地震下的最大剪力(kN)

图10 设计地震滞回曲线

注:6号墩未布置阻尼支座

图11 罕遇地震滞回曲线

5 结论

从分析数据可以看出:

(1)E型钢阻尼支座在纵桥向能有效地减小桥墩的弯矩，最大能够减小约50%;对于墩的最大剪力而言，虽然E型钢阻尼支座也能有效降低剪力，但效果不明显。

(2)E型钢阻尼支座适合于不同高度的桥墩。且无论是设计地震还是罕遇地震，E型钢阻尼支座都能够发挥良好的减震效果。

(3)E型钢阻尼支座的滞回曲线显示了它良好的耗能作用，且越是大的地震力作用，耗能效果体现的越明显。

(4)在不同烈度区，不同场地对尚书桥进行计算分析(数据限于篇幅本文未列出)，E钢阻尼同样有良好的减震耗能效果。

［1］周云，宗兰．土木工程抗震设计［M］．北京:科学出版社，2003

［2］彭俊生，罗永坤．结构动力学［M］．成都:西南交通大学出版社，2005