采用不同支座的桥梁地震反应对比分析

叶龙飞

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

采用不同支座的桥梁地震反应对比分析

叶龙飞

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

在E2地震作用下，分别对采用高阻尼橡胶支座与普通支座的桥梁结构进行时程反应分析,对结构的自振周期及桥墩墩底内力进行对比分析,结果表明，采用高阻尼橡胶支座能使结构自振周期延长,增加耗能时间,减震效果明显。

高阻尼橡胶支座；非线性时程分析；连续箱梁；地震反应；减隔震

对于桥梁结构设计而言,不仅需要满足日益严格的安全性、经济性设计要求,同时须满足美观大方的审美要求,因此进行抗震设计时受限因素较多。若完全采用结构抗震型设计,桥墩及结构尺寸会较大,且配筋增多,这不仅会极大地影响结构的经济性，还势必会影响整个桥梁的美学造型和净空要求,以至难以满足整体设计要求。因此,桥梁设计迫切需要采用结构控制技术,通过应用隔震效果好、尺寸较小的减隔震装置(支座)解决上述难题,实现结构的优化设计,确保工程项目的安全、适用、经济、美观、环保、耐久。

地震反应分析是结构抗震设计的主要工作内容和依据。结构在地震作用下的响应是一种随机振动,其求解非常复杂。早期地震反应分析主要采用简化的静力法,20世纪50年代后发展为动力法的弹性反应谱理论,20世纪60年代后随着计算机技术的迅速发展,则开始对重要结构进行地震时程反应分析[1-2]。下文拟通过工程实例,对采用高阻尼橡胶支座与普通支座的桥梁结构进行时程反应分析,以确定满足整体设计要求的支座方案。

1 工程设计实例

某工程桥梁全长100 m,跨径布置为4×25 m。桥梁全宽33.3 m,采用双幅桥进行设计,单幅桥宽16.65 m,桥面净宽15.65 m。上部结构为装配式预制预应力混凝土连续箱梁(先简支后连续),单幅桥由5片预制箱梁组成,预支梁高1.4 m,梁距3.34 m。预制梁顶设置8 cm厚C50混凝土现浇层,桥面铺装10 cm沥青混凝土。桥型布置如图1所示。0#、4#台为三柱式台,柱距为5.7 m。1#～3#桥墩采用双柱式,墩柱距9.25 m,桩接柱,柱径为1.4 m,桩径1.5 m。

图1 桥型布置

拟建场地地形起伏较大,地貌较为复杂,为Ⅱ类场地。根据《中国地震动参数区划图》,桥址区地震动峰值加速度为0.2 g,地震动反应谱特征周期0.4 s(地震基本烈度8度)。桥梁属B类桥梁,需按提高一级抗震设防。

2 结构计算参数确定

根据本工程地震烈度和场地土类别，采用和场址场地土条件相近的天然地震波，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波[3-4],B类桥梁E1地震下抗震重要性系数取0.5、E2地震下抗震重要性系数取1.7[5]。计算采用的地震动时程如图2所示。

图2 E2地震X、Y方向加速度时程

结构的约束条件为：采用表征土介质弹性值的m参数计算的等代土弹簧刚度模拟桩土作用,桩底固结[6];主梁与桥墩根据实际支座类型建立非线性连接。全桥单元采用梁单元模型,普通支座力学模型按《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT/T 391-2009）规定进行模拟。高阻尼隔震橡胶支座(HDR)固定型支座、滑板型恢复力力学模型详见图3～图4,参数详见表1。

图3 HDR固定型支座双线性恢复力力学模型

图4 HDR滑板型支座双线性恢复力力学模型

图中,K1为屈服前刚度,K2为屈服后刚度,Sy为屈服位移量,Sd为设计阻尼位移,Fy为屈服力，Fd为设计阻尼力;K0为屈服前刚度,X0y为屈服位移,F0y为滑动摩擦力。

表1 高阻尼隔震橡胶支座(HDR)计算参数

3 结构效应分析

3.1 结构动力特性对比分析

根据建立的动力计算模型，采用子空间迭代法分别求解桥梁结构动力特性。成桥阶段前10阶结构自振周期详见表2。

表2 自振周期对比s

由表2可以看出,采用高阻尼隔震橡胶支座可增大结构自振周期、减小自振频率,从而增加结构耗能时间。

3.2 墩底弯矩对比

E2水准下普通支座桥梁地震动力时程分析墩底弯矩和HDR隔震桥梁地震动力时程分析墩底弯矩对比如表3所示。

表3 墩底弯矩对比

由表3可知,采用普通支座时,2#墩设置GD/DX固定支座，0#～1#、3#～4#墩台设置DX/SX活动支座。设置GD固定支座的2#墩承受的纵向地震力特别大,在E2水准地震作用下,2#墩墩底最大顺桥向弯矩是1#墩墩底的3.7倍。1#、3#墩墩底顺桥向内力减震率为负,是因为非隔震状态下,1#、3#墩顺桥向设置活动支座,E2水准地震作用下所受的水平力为滑动摩擦力。而采用HDR隔震状态下,0#、4#桥墩顶设置HDR滑动型支座,1#～3#桥墩顶设置HDR固定型支座，全桥协同抗震，1#、3#墩墩底和桩基顺桥向内力虽然会大一些,但整体地震力水平较低。因此采用HDR隔震支座的墩底受力与采用非隔震支座的状态相比,减震效果明显，墩底顺桥向弯矩最大减震52%,墩底横桥向弯矩最大减震58%。

4 结论

综上所述,采用HDR系列高阻尼隔震橡胶支座后,在桥梁上部结构与下部结构设置隔震层，地震时上下部结构运动隔离,不同步,通过隔震支座滞回耗能有效地减少了桥墩承受的弯矩和剪力,降低了墩顶纵横向位移,取得了优异的减隔震效果。通过合理的减隔震设计,使得每个墩纵向和横向承受的地震力较均匀,由原结构的单墩抗震演变为全桥桥墩共同抗震,从而在保证桥梁结构抗震安全的同时优化了结构尺寸。

[1]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.

[2]范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]王亚勇,程民宪,等.结构抗震时程分析法输入地震记录的选择方法及其应用[J].建筑结构,1992(5):3-7.

[4]王亚勇,刘小弟,等.建筑结构时程分析法输入地震波的研究[J].建筑结构学报,1991,12(2):51-60.

[5]JTG/T B02-1-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[6]JTG D63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

Comparative Analysis on Seismic Response of Bridges with Different Support

YE Longfei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Under the action of E2 seism,this paper makes a time-history response analysis on the structure of bridge respectively adopting high damping rubber support and common support,and has a comparative analysis on natural period of vibration of structure and internal force at the bottom of bridge pier.It is indicated from the results that adopting high damping rubber support will prolong the natural period of vibration,increase the period of energy consumption,and the vibration-suppressed effect is obviously good.

high damping rubber support;non-linear time history analysis;continuous box grider;seismic response;seismic isolation

U442.5+5

B

1004-4345(2014)03-0034-02

2013-11-04

叶龙飞(1980—),男,工程师,主要从事道路与桥梁设计工作。