基于时程分析的连续梁桥的减震设优化设计研究

赵 凯，李福如

（山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250014）

1 概述

随着国家大力建设交通基础设施，桥梁数量不断增加，截止2019 年底，全国公路桥梁87.83 万座，其中连续梁桥占了较大比例。近年来，地震发生比较频繁造成了很大的经济损失和人员伤亡，而桥梁作为重要的生命线工程之一，在抗震救灾中起到的作用是非常巨大的[1]。因此开展连续梁桥的抗震及优化有着重要的意义。

2 连续梁桥模型的建立

2.1 铅芯橡胶支座的模拟

铅芯橡胶支座是在叠层橡胶中插入一个或多个铅销以帮助其在地震来临时吸收耗散能量从而使其阻尼增加的一种抗震支座。该种支座不仅能够承受结构重力和水平力的作用，而且还具有很大的初始刚度，能在地震来临时，根据其较大的屈服能力，吸收耗散能量，产生较大的塑性变形，延长结构的周期[2]。除此之外，橡胶与铅芯相互组合能够使结构产生一定的水平恢复力。铅芯橡胶支座通过上述的组合效应能够减小结构的地震响应。

依据结构在设计中可以采用不同的分析方法，铅芯橡胶支座有等效线性化模型和非线性模型两大类[3]。铅芯橡胶支座在非线性动力时程分析中一般采用非线性模型[4]。

双线性模型是非线性模型的其中一种，其F（力）-S（位移）滞回曲线见图1。

图1 铅芯橡胶支座F-S 滞回曲线

滞回曲线：

式中：F—合计弹簧力，kN；F1—弹簧K1的内力，kN；F2—弹簧K2的内力，kN；Q—界限力，kN；S1—弹簧K1的有效伸长，m。

2.2 计算模型

以某连续箱梁桥33 m+52.5 m+52.5 m+33 m 为例建立计算模型，全桥长171 m。共设5 个墩，均为矩形截面。采用Midas Civil 建模时，主梁、桥墩采用空间梁单元进行模拟。该计算模型未考虑桩土相互作用及行波效应和非线性，且只对上部结构主控制断面的位移和内力进行分析比较。计算模型见图2。

图2 连续梁计算模型

3 计算分析

3.1 地震激励

根据已有的研究发现，分别对结构进行纵向激励、横向激励、横向加竖向激励、纵向加竖向激励、纵向加横向加竖向激励抗震分析时，结构在组合激励下的反应最不利。基于相关规范及研究，对连续梁桥地震激励输入时，选择Ex +0.65Ey+0.85Ez 即纵向+0.65 竖向+0.85 横向，以EL Centro 波作为地震激励，因为本桥主跨为52.5 m，因此可以采用一致激励的地震反应分析。

3.2 支座参数选择

铅芯橡胶支座的屈服刚度、屈服前刚度及屈服后刚度是相互影响、相互关联，独立的作为支座的影响参数是不科学的。研究发现，铅芯橡胶支座的直径决定了其力学参数，同时地震响应的关键控制因素，其橡胶的直径与剪切模量对于抗震作用较小。因此，在连续梁桥采用铅芯铅芯橡胶支座进性减震优化分析时，以铅芯直径作为主要研究对象，根据《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》（JT/T 822—2011）初步确定圆形铅芯橡胶支座尺寸，参数见表1。

表1 5 种型号的铅芯橡胶支座参数

3.3 计算分析

3.3.1 无减震支座结构地震响应

经计算该桥的结构自振周期为1.664 s，所以在结构进行时程分析时输入的强震持续时间为16.64 s。各跨跨中位移见表2。分析可知，各跨跨中的顺桥向位移最大，为主要控制因素，因此在进行不同铅芯直径的减震分析时，只列出顺桥向位移。

表2 无减震支座下的各跨跨中位移

3.3.2 不同铅芯直径下支座结构地震响应

对5 种类型的铅芯橡胶支座的连续梁桥进行地震响应分析，各跨跨中顺桥向位移见表3。

表3 5 种型号的铅芯橡胶支座各跨跨中顺桥向位移

通过对铅芯橡胶支座的铅芯直径进行分析得出：（1）连续梁桥在地震作用的最大位移为顺桥向位移，且最大位移均不超过支座最大的设计允许位移0.1 m，因此不用考虑支座失效后的建模问题。（2）采用不同型号铅芯橡胶支座的连续梁桥在地震激励作用下的顺桥向位移都有所减少。（3）随着铅芯直径的增加，连续梁桥在地震作用下的顺桥向位移逐渐减少，铅芯直径增加至142 mm 后，减震效果趋于平缓。

4 结语

（1）连续梁桥在三向地震激励作用下的最大位移为顺桥向位移，因此在抗震设计中应优先考虑顺桥向抗震。（2）采用铅芯橡胶支座能够有效地减少结构的地震响应，随着直径的增加效果趋于平缓。在抗震设计选择铅芯橡胶支座直径时，应通过计算分析，选择合理的直径，达到效果最佳，成本最优。