独柱墩曲线梁桥的减隔震分析与研究

孔令俊，金 杰

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

随着城市立体交通的发展，人们对桥梁的功能和美观提出了更多的要求，这就使得曲线梁桥的应用变得更加的普遍[1]。1996年，SINGH[2]指出曲线梁桥与直线梁桥的一个明显的区别就是按等效直线梁桥设计的曲线梁桥在振动中的柔度会增加。1997年，DESROCHES 和FENVES[3]通过一个三维曲线梁桥模型研究，比较了一致激励和多点激励下曲线梁桥地震反应的区别。与传统的采用普通支座的无隔震曲线梁桥相比，隔震曲线梁桥地震响应特性及分析过程有很大的差异[4]。研究减隔震支座对曲线梁桥的线性、非线性和弹塑性动力反应的影响机理，已成为现代曲线梁桥抗震体系发展亟需解决的问题。

本文根据减隔震曲线梁桥的设计特点，采用铅芯橡胶减隔震支座，通过Midas civil 软件，对减隔震曲线梁桥进行了双向地震动时程分析，得到了相关的结论供设计者参考。

1 铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座的结构如图1 所示，铅芯橡胶支座在水平往复循环荷载下具有良好的滞回性能，能够满足地震作用时水平荷载往复作用的要求。

图1 铅芯橡胶支座

2 桥梁概况

该桥为四跨连续梁结构，跨度为28 m+34×2 m+28 m，全长124 m。根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》，本区地震抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.2g；根据《中国地震动反应谱特征周期区划图》（2001）和该桥的场地类别，设计加速度反应谱特征周期为0.35 s。

图2 为该桥的计算模型。该桥位于R=280 m 的左扁平曲线上，桥墩均按法线方向布设，桥墩为变高度桥墩，高度为6～7 m。计算过程中，3、4、5、6 和7墩采用铅芯橡胶支座，1、2、8 和9 采用普通盆式支座，并设置抗扭约束，各墩墩底均为固结。

图2 曲线梁桥计算模型

5#墩的铅芯橡胶支座参数为：屈服前刚度为1.16e4 kN/m，屈服力为303.2 kN，屈服后刚度与屈服前刚度比为0.15。其他墩的铅芯橡胶支座参数为：屈服前刚度为8.3e3 kN/m，屈服力为160.3 kN，屈服后刚度与屈服前刚度比为0.15。盆式支座竖向承载力为3.0 MN，摩擦系数取0.01。

根据JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》规定，该桥属于B 类非规则桥梁，应该采用非线性时程分析方法对其进行顺桥向和横桥向地震反应分析。对曲线梁桥进行地震反应分析时，可分别沿相邻两桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多方向地震输入，以确定最不利地震水平输入方向；用曲梁单元时，只需计算一联两端连线（割线）和垂直割线方向进行地震输入，本桥采用后者进行地震输入。计算过程中，定义割线方向为顺桥向，垂直割线方向为横桥向。根据当地地震局提供的地震安全性评价报告以及地震波，对桥梁进行地震响应分析，结果均取3 条地震波与恒载组合作用下的包络值。

3 计算结果及分析

3.1 桥梁墩底内力

对减隔震桥梁分别输入E1 和E2 地震作用的地震波进行时程分析，取3 条地震波与恒载组合作用下的包络值，得到顺桥向和横桥向的墩底内力。E1 地震作用下桥梁墩底内力、E2 地震作用下桥梁墩底内力如表1 和表2 所示。

表1 E1 地震作用下桥梁墩底内力

表2 E2 地震作用下桥梁墩底内力

由表1 可知，在E1 地震作用下，桥梁顺桥向和横桥向最大墩底剪力和弯矩出现在5#墩，即桥梁的独柱墩，其最大剪力和弯矩分别达到了414.83 kN 和2486.11 kN·m，413.96 kN 和2480.93 kN·m。桥梁各墩内力均在设计强度的弹性范围内；桥梁边墩支座轴力均为受压，未出现拉力。

从表2 可以看出，在E2 地震作用下，桥梁顺桥向和横桥向墩底剪力和弯矩均未超过各墩的屈服强度，满足桥梁减隔震设计的要求，提高了桥墩的抗震性能。

3.2 桥梁墩顶位移

E2 地震作用下，对减隔震桥梁输入顺桥向和横桥向地震波进行时程分析，得到桥梁顺桥向和横桥向的墩顶位移，如图3 和图4 所示。

从图3 可以看出，在E2 地震作用下，桥梁顺桥向墩顶位移最大发生在3#墩，最大墩顶位移仅为0.85 cm，最小发生在独柱墩，即5#墩。这是由于5#墩承受的地震力较大，铅芯橡胶支座发挥了更好的耗能作用。从图4 可以看出，桥梁横桥向墩顶位移最大也发生在3#墩，最大墩顶位移为0.84 cm，最小发生在9#墩。

图3 桥梁顺桥向墩顶位移

图4 桥梁横桥向墩顶位移

3.3 铅芯橡胶支座滞回耗能

桥梁在E2 地震作用下，3#墩上顺桥向和横桥向的铅芯橡胶支座滞回曲线如图5 和图6 所示。从图5 和图6 可以看出，铅芯橡胶支座顺桥向最大变形达到了28 cm，横桥向最大达到了27 cm；E2 地震作用下，随着地震力的增大，铅芯逐渐进入塑性耗能阶段，形成了较大的滞回环，耗散了较大的地震能量，减小了桥梁结构的地震响应。

图5 桥梁顺桥向铅芯橡胶支座滞回曲线

图6 桥梁横桥向铅芯橡胶支座滞回曲线

4 结论

综上所述，可以得到如下结论：①桥梁边墩支座轴力均为受压，未出现拉力；②由于铅芯橡胶支座的减隔震作用，在E1 和E2 地震作用下，桥梁各墩底的内力均小于桥梁的设计承载力，提高了桥梁的抗震性能；③E2 地震作用下，桥梁最大墩顶位移发生在3#墩，最大位移仅为0.85 cm；④铅芯橡胶支座形成了较大的滞回环，发挥了较好的耗能作用。