城市曲线连续梁桥减隔振支座地震响应分析

陈振宇（长安大学，陕西 西安710064）



城市曲线连续梁桥减隔振支座地震响应分析

陈振宇
（长安大学，陕西 西安710064）

文章选取某城市曲线连续梁桥两联作为研究对象，研究铅芯橡胶支座对曲线桥的地震响应；通过有限元软件对某曲线连续梁桥进行建模分析，并以不同曲率半径的曲线梁桥进行同等条件对比分析，得出分别采用板式橡胶支座与铅芯橡胶支座的曲线桥在E2地震作用下的桥梁结构动力非线性时程分析的规律。分析结果表明，采用铅芯橡胶支座以后曲线桥的地震响应在整个激励过程中都显得比较平稳，无明显的峰值出现，并且有效地均衡和分配了曲线桥各个位置的地震响应。

铅芯橡胶支座；曲线连续梁；非线性分析；地震响应分析；减隔振

随着城镇化的发展，人口逐渐向城市集中，而在世界上几次破坏性比较大的地震都发生在城市附近，所以城市防灾减灾也显得愈发重要。在城市防灾减灾的研究中，桥梁工程是具有重要意义的生命线工程。在地震发生期间，桥梁的破坏不仅会影响经济运行和人们的正常生活，而且将严重地影响震后的抗震救灾工作，使群众不能及时地疏散，并且使救援人员和物资不能及时地到达灾区，从而加剧地震的次生灾害。近几年来，随着人们对城市防震减灾的重视，加速了减隔震措施的研究与应用。

在桥梁与桥墩之间的支座部位设置减、隔震支座，以耗散地震的能量，使震后的桥梁整体不会倒塌，从而方便地震后的修复。

1　普通橡胶支座和铅芯橡胶支座结构对比

1.1普通橡胶支座（NRB）

普通橡胶支座严格意义上讲它不属于隔震支座，应该属于水平力分散型支座，它主要是将地震力大致均匀地分散到每一跨桥墩上，避免桥墩上地震力集中。在桥梁动力分析中，其恢复力模型基本上是采用线性弹性模型，不考虑其阻尼性能［1］。

1.2铅芯橡胶隔振支座（LRB）

铅芯橡胶支座是在普通橡胶支座的中部圆形孔内压入铅芯，以提高普通橡胶支座的阻尼，由橡胶提供竖向支承和水平柔性，利用铅芯的塑性变形来提供阻尼，吸收能量，因此同时具有降低结构水平刚度和耗能的功能，在实际使用时可以节省空间，施工上也较为便利［2］。如图1所示。

现有的铅芯橡胶支座恢复力模型中，常见的有双线性模型、修正双线性模型、及双线性+Ramberg-Osgood模型等［3］。双线性恢复力模型是假定橡胶支座为理想的弹性材料，铅芯为理想的弹塑性材料，把铅芯橡胶支座的恢复力模型视为双线性。双线性模型简单、计算较为方便。Skinner、Robinson研究指出采用双线性恢复力模型进行隔振计算，可以得到较为精确的近似结果。本文采用双线性模型模拟铅芯橡胶支座，如图2所示。

图1　圆形铅芯橡胶支座

图2　铅芯橡胶支座的等价双线模型

2　计算桥梁工程概况

某城市立交桥全桥共9联，各联跨径组成为：2× （3×25）m（第1～第2联现浇预应力混凝土连续箱梁）+（35+36.6）m（第3联连续钢箱梁）+（25+27+25）m（第4联现浇预应力混凝土连续箱梁）+5×（3×25）m（第5～第9联现浇预应力混凝土连续箱梁）；下部采用柱式墩及薄壁台，钻孔灌注桩基础。桥梁设计荷载城市-A 级，挂-120 验算。 计算行车速度40 km/m。桥面宽度为0.25 m（护栏）+2.75 m（人行道）+4 m（非机动车道）+7.5 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）。抗震设防烈度为8°，地震动峰值加速度为0.2 g。

3　有限元模型建立及分析

本文选取该立交桥第4联和第5联进行分析，桥梁平面图与支座布置情况如图3所示，桥梁曲率半径为217.8 m，运用Midas Civil建立两类动力分析模型，对有减隔振措施的采用铅芯橡胶隔振支座，无减隔振措施的采用普通橡胶支座，在建模时，考虑桩土效应对桥梁的减隔振效果影响，其他各构件截面特性、连接方式及边界条件均按实际情况确定，从而较为真实地模拟实际结构的力学特点。通过非线性时程反应分析，对比两种支座模型对结构地震反应影响。

图3　桥梁平面布置图（单位：m）

3.1时程地震波的输入

按照规定选取的地震波时程曲线时，为使之与设计反应谱相协调，必须对地震波的加速度峰值进行相应的调整，所以峰值的调整可以通过地震记录乘以放大系数来实现［4］。本文中桥梁位于二类场地土，重点研究不同支座对隔振性能的影响，选取1 940，El Centro，270 Deg作为输入地震波，调幅到0.4 g，如图4所示。

图4　El Centro地震波

3.2铅芯橡胶支座的隔震效果分析

3.2.1橡胶支座的数值模拟

该分析桥梁1#、4#、7#墩为设带盖梁的双柱墩，2#、3#、5#、6#墩为双柱墩。在无减隔振措施的桥梁模型中，盖梁上采用型号为GYZD550×150的支座，双柱墩上支座型号为GYZD800×194，都为圆形板式橡胶支座。有减隔振措施的桥梁模型中，盖梁上采用型号为Q4Y670×196的支座双柱墩，上支座型号为Q4Y820×183，均为圆形铅芯橡胶支座。支座参数如表1、表2所示。

表1　桥梁板式橡胶支座参数表 kN/m

表2　桥梁铅芯橡胶支座参数表

3.2.2不同支座动力非线性时程分析结果比较

4#墩底隔振前后的径向剪力时程比较如图5所示，曲线桥各外侧桥墩墩顶的地震响应位移峰值的比较如图6、图7所示，曲线桥各外侧桥墩墩底的地震响应内力峰值的比较如图8所示。采用不同支座类型下4#墩柱底响应结果对比如表3所示。4#墩处铅芯橡胶支座的实际剪力-位移滞回曲线如图9所示。

图5　4#墩底部径向剪力时程曲线

图6　外侧墩顶切向位移

图7　外侧墩顶径向位移

从图5可以看出：换用铅芯橡胶支座以后，剪力时程曲线峰值显著小于隔震前的剪力时程；在整个地震激励过程中，其时程曲线变化比较平缓，且表现出明显的简谐波振动特性，没有出现显著的峰值响应。可见，在整个地震激励过程中，LRB支座都能较好地控制曲线桥的地震响应，将其控制在较低的水平下，且地震响应呈现出比较规律的变化。

3.2.3不同曲率半径下隔振支座动力非线性时程分析结果比较

由于曲率半径对曲线梁桥受力影响较大，再对半径分别为300 m和100 m而其余条件相同的曲线梁桥的情况加以数值模拟分析，不同曲率半径下桥墩的墩底内力对比分析如图10～图13、表4和表5所示。

图8　外侧墩底地震响应内力峰值比较

从以上图表分析可知：

（1）采用铅芯橡胶支座以后，桥梁下部结构在地震响应中墩顶位移和墩底的内力都有显著地减小。

（2）曲线桥采用普通板式橡胶支座，墩底的剪力和弯矩都比较大，而采用铅芯橡胶支座后墩底的剪力和弯矩明显减小，隔振效果明显。

（3）隔振后，各部位的位移与内力的地震响应变得比较均衡，差距减小。这说明 LRB 支座重新调整了各墩内力的分布，使得各墩的内力分布更加合理，改善了曲线桥各部位的受力。

表3　不同支座类型4#墩柱底响应结果对比表

图9　4#墩处铅芯橡胶支座剪力-位移滞回曲线

图10　半径为300 m外侧墩底径向弯矩

图11　半径为300 m外侧墩底径向剪力

图12　半径为100 m外侧墩底径向弯矩

图13　半径为100 m外侧墩底径向剪力

表4　不同曲率半径不同支座类型4#墩柱底弯矩结果对比表

表5　不同曲率半径不同支座类型4#墩柱底剪力结果对比表

滞回环的面积大小象征该支座在一个振动循环内所耗散的能量的多少，面积大消耗能量就大［5］。从图10可以看出：铅芯橡胶支座充分地发挥了隔振的特性，在地震中起到了耗散地震能量，减小地震响应的作用。

4　结论

（1）采用铅芯橡胶支座以后，曲线桥的地震响应在整个激励过程中都显得平稳，没有出现明显的峰值，LRB支座较好地控制住了曲线桥在地震过程中的响应。

（2）采用铅芯橡胶支座以后，桥梁下部结构在地震响应中墩顶位移和墩底的内力都显著地减小，支座产生大位移并能复位，从而耗散了地震的能量，地震后铅芯橡胶支座可能损害，但桥梁整体不会倒塌，地震后的修复工作相对比较容易，必要时可以更换支座。

（3）针对该类较小半径的曲线连续梁桥采用铅芯橡胶支座后，与使用普通板式橡胶支座相比，在横桥向内外墩柱之间的地震响应的影响不大，在纵方向各部位的位移与内力的地震响应变得比较均衡，即LRB支座对横桥向内力的分布基本无影响，但重新调整了纵桥向各墩之间内力的分布，使得纵向各墩之间的内力分布更加合理，改善了曲线桥各部位的受力。

［1］JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］JT/T 822—2011公路桥梁铅芯橡胶支座［S］.

［3］濑户裕，竹中康雄.修正双线性模型表现隔震装置两方向非线性模型的延伸［C］∥日本建筑学会学术讲演梗概集.东京：日本建筑学会，1996：805-806.

［4］JTGTB02-01—2008公路桥梁抗震细则［S］.

［5］何文福，刘文光.铅芯橡胶支座滞回曲线的扁环现象及其恢复力模型［J］.郑州大学学报：工学版，2006（4）：71-74.

Seismic Response Analysis of Seismic Isolation Bearing of Urban Curved Continuous Beam Bridge

Chen Zhenyu
（Chang'an University，Xi'an710064， China）

Taking some urban curved continuous beam bridge as the research object， this paper studied the seismic response of the curved bridge with the lead rubber bearing. It analyzed the modeling of the curved beam bridge created by finite element software， and obtained the law of nonlinear time history analysis of the bridge using the rubber bearing and the lead rubber bearing under the E2 seismic effect. The results showed that the seismic response of the curved bridge with the lead rubber bearing was very stable， without obvious peak in the whole process， and the LRB could balance and distribute effectively the seismic response of each position of the curved bridge.

lead rubber bearing； curved continuous beam； nonlinear analysis； seismic response analysis； seismic mitigation and isolation

U443.36

A

1672-9889（2016）02-0037-04

陈振宇（1989-），男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为桥梁与隧道工程。

（2015-07-04）