王月錢(qián)，鐘鐵毅，顧正偉，張常勇

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

橋梁一旦在地震中發(fā)生破壞，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失。近年來(lái)，橋梁地震震害所帶來(lái)的教訓(xùn)是深刻的[1]，特別是汶川地震和玉樹(shù)地震發(fā)生后，橋梁的抗震設(shè)計(jì)更加受到人們的廣泛關(guān)注。在橋梁抗震設(shè)計(jì)方法上，除了傳統(tǒng)的強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)外，減隔震技術(shù)在我國(guó)鐵路工程中也不乏應(yīng)用實(shí)例。目前，國(guó)內(nèi)外橋梁常用的減隔震支座有鉛芯橡膠支座、滑動(dòng)摩擦支座和E型鋼阻尼支座等幾種類型，其中對(duì)鉛芯橡膠支座的研究相對(duì)較多，如吳彬、莊軍生對(duì)鉛芯橡膠支座進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)[2]，鐘鐵毅、楊風(fēng)利等對(duì)鉛芯橡膠支座在鐵路簡(jiǎn)支梁橋上的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3-4]，曾攀、張貞閣等對(duì)鉛芯橡膠支座在連續(xù)梁橋上的應(yīng)用進(jìn)行了研究[5-6]等，而對(duì)E型鋼阻尼支座的應(yīng)用研究較少。E型鋼阻尼支座與鉛芯橡膠支座相比，具有更好的耐久性，因此對(duì)其在鐵路橋梁的應(yīng)用進(jìn)行研究很有意義。本文基于有限元分析軟件SAP2000建立了不同墩高的鐵路簡(jiǎn)支梁橋模型，采用E型鋼阻尼支座對(duì)其減隔震效果進(jìn)行研究。得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，可為同類橋梁的減隔震設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

1 結(jié)構(gòu)分析模型及地震激勵(lì)的選取

1.1 簡(jiǎn)支梁橋分析模型

本文以某鐵路線8跨簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔M(jìn)行計(jì)算分析，每跨簡(jiǎn)支梁跨徑均為32 m，除兩橋臺(tái)外，7座橋墩高度不等，變化范圍為21～58 m，各橋墩高度如表1所示。該橋上部梁體為 T形截面，采用C50混凝土，質(zhì)量500 t;橋墩均為空心圓端形變截面橋墩，采用C35混凝土。基于通用有限元分析軟件 SAP2000，采用墩底固結(jié)，分別建立了各橋墩的未隔震和減隔震分析模型，如圖1所示。其中，墩身使用框架單元模擬，E型鋼阻尼支座使用連接單元模擬。

表1 橋墩高度 m

圖1 計(jì)算模型示意

1.2 E型鋼阻尼支座力學(xué)模型

E型鋼阻尼支座是將E型鋼阻尼元件與普通支座整合到一起得到的阻尼耗能連接結(jié)構(gòu)，兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用。由于其結(jié)構(gòu)全部由鋼材制作而成，故E型鋼阻尼支座具有良好的耐久性。E型鋼阻尼支座結(jié)構(gòu)如圖2所示，其力學(xué)模型如圖3所示。

圖2 E型鋼阻尼支座結(jié)構(gòu)

圖3 E型鋼阻尼支座簡(jiǎn)化力學(xué)模型

圖3中，F(xiàn)y為支座屈服力，F(xiàn)u為支座水平極限承載力;dy為支座的屈服位移，du為支座的極限位移;ku為支座的屈服前剛度，很明顯ku=Fy/dy，kd為支座的屈服后剛度，硬化比η=kd/ku。本文所有橋墩均采用相同參數(shù)的E型鋼阻尼支座，其基本力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 E型鋼阻尼支座基本力學(xué)參數(shù)

1.3 地震激勵(lì)選取

所選鐵路簡(jiǎn)支梁橋所處場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地，按基本烈度8度設(shè)防。選取7條Ⅱ類場(chǎng)地實(shí)際地震記錄作為激勵(lì)，沿順橋向加載，各地震波基本特性如表3所示。

表3 Ⅱ類場(chǎng)地地震波記錄基本特性

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 隔震前后橋墩地震響應(yīng)對(duì)比

不同墩高的橋墩未隔震時(shí)地震響應(yīng)與隔震后地震響應(yīng)隨墩高的變化如圖4和圖5所示。圖中橫坐標(biāo)為橋墩的高度，縱坐標(biāo)為墩底彎矩或墩底剪力。

由圖4和圖5可知，在隔震前后，橋墩墩底彎矩和墩底剪力變化趨勢(shì)大致是隨著墩高的增大而增大。采用E型鋼阻尼支座以后，橋墩墩底彎矩和墩底剪力與隔震前相比都明顯降低，其中1號(hào)墩墩底彎矩的降低幅度最大，由未隔震前的5.04×104kN·m降低到隔震后的1.7×104kN·m，且墩底彎矩、剪力隨高度的變化趨勢(shì)與未隔震前相似。

圖4 墩底彎矩與墩高的關(guān)系

圖5 墩底剪力與墩高的關(guān)系

2.2 隔震率變化規(guī)律

各橋墩隔震率隨橋墩高度的變化如圖6所示。

圖6 隔震率與墩高的關(guān)系

從圖6可以看出，E型鋼阻尼支座對(duì)墩底彎矩的隔震率隨著墩高的增大大體上呈減小的趨勢(shì)，且墩底彎矩的隔震率基本上都在50%以上。其中較矮的1號(hào)墩墩底彎矩的隔震率最大，達(dá)到66.29%，另外2，3，4號(hào)墩墩底彎矩的隔震率均在55%以上，而墩高最大為58 m的7號(hào)橋墩墩底彎矩的隔震率最小，其值為49.81%。E型鋼阻尼支座對(duì)墩底剪力的隔震率都在40%以上，其中較矮的1號(hào)墩墩底剪力的隔震率最大，數(shù)值為52.89%，而墩高最大為58 m的7號(hào)橋墩墩底剪力的隔震率最小，其值為42.49%。

由墩底彎矩和墩底剪力隔震率的對(duì)比分析可知，E型鋼阻尼支座對(duì)彎矩的減隔震效果好于對(duì)墩底剪力的減隔震效果。對(duì)于不同墩高的橋墩，E型鋼阻尼支座的隔震效果相差較大。1號(hào)墩墩底彎矩的隔震率達(dá)到了 66.29%，而 7號(hào)墩只有 49.81%，相差了16.48%;1號(hào)墩墩底剪力隔震率達(dá)到52.89%與7號(hào)墩的42.49%相差了10.4%，這主要是由于橋梁的振動(dòng)周期不同所致。

3 結(jié)論

1)在地震作用下，橋墩墩底彎矩和墩底剪力都隨著墩高的增大而增大。采用E型鋼阻尼支座以后，橋墩墩底彎矩和墩底剪力與隔震前相比都明顯降低，其隨墩高的變化趨勢(shì)與未隔震時(shí)類似。

2)E型鋼阻尼支座對(duì)墩底彎矩的減隔震效果和對(duì)墩底剪力的減隔震效果都隨著墩高的增大而減小。通過(guò)對(duì)墩底彎矩和墩底剪力隔震率的對(duì)比分析可知，E型鋼阻尼支座對(duì)墩底彎矩的減隔震效果要好于對(duì)墩底剪力的減隔震效果。

3)對(duì)于不同高度的橋墩，E型鋼阻尼支座的隔震效果相差較大。本研究所采用的實(shí)例中，不同橋墩墩底彎矩的隔震率差最大達(dá)到16.48%，墩底剪力的隔震率差最大達(dá)到10.4%，這主要是由于橋梁振動(dòng)周期不同所致。因此，在進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同高度的橋墩采用不同參數(shù)的E型鋼阻尼支座，以達(dá)到優(yōu)化的墩底彎矩和墩底剪力的減隔震效果。

[1]劉享，鐘鐵毅，楊風(fēng)利，等.鉛芯橡膠支座隔震鐵路簡(jiǎn)支梁橋參數(shù)影響研究[J].鐵道建筑，2007(5):1-3.

[2]吳彬，莊軍生.鉛芯橡膠支座力學(xué)性能及其在橋梁工程中減、隔震應(yīng)用研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2004，25(4):138-140.

[3]鐘鐵毅，楊風(fēng)利，吳彬.鉛芯橡膠支座隔震鐵路簡(jiǎn)支梁橋雙向地震響應(yīng)分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(3):38-43.

[4]楊風(fēng)利，鐘鐵毅，夏禾.鐵路簡(jiǎn)支梁橋減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，28(3):128-132.

[5]曾攀，閻貴平.鉛芯橡膠支座動(dòng)力特性對(duì)連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響[J].鐵道學(xué)報(bào)，2001，23(5):96-101.

[6]張貞閣，鐘鐵毅，王麗.鐵路連續(xù)梁橋鉛芯橡膠支座的減隔震研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13(5):41-45.