崔志剛， 李 林， 袁 涌

(1.天津城建設計研究院有限公司，天津 300072;2.華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

橋梁工程作為生命線工程的重要組成部分，在地震中一旦遭到破壞，無論修復重建還是改線繞行都將十分困難，會對抗震救災工作產(chǎn)生嚴重的影響。因此，對高烈度地震區(qū)域的橋梁結(jié)構(gòu)進行有效地抗震保護就顯得尤為重要。進而，為確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全性，對減隔震性能加以研究具有十分重要的社會意義和經(jīng)濟效益。為了減小地震引起橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，保護處于高烈度地震區(qū)中公路、橋梁結(jié)構(gòu)的安全，各國學者對橋梁結(jié)構(gòu)的減震進行了廣泛、深入的研究。近20年來，國外在橋梁減、隔震和延性抗震方面進行了許多研究，美國、新西蘭和日本等在橋梁設計規(guī)范中都列入了相應的條款。從各國家的橋梁減隔震技術應用情況來看，橋梁減震設計中最常采用的隔震裝置是滯流體阻尼器，且通常安裝在橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩或橋臺之間。除了改善高烈度區(qū)域橋梁的整體抗震性能，隔震支座與粘滯流體阻尼器還可以有效地改善橋梁的運營狀態(tài)。

本橋主橋橋址場地地震基本烈度為8度、設計基本地震加速度值為0.20g，本橋采用混凝土結(jié)構(gòu)，自重較大，由強震產(chǎn)生的水平地震力十分可觀，相關構(gòu)件尤其是下部墩柱基礎很難承受。而該橋作為大型橋梁，有必要確保其具備一定抗震能力。因而對主橋采用粘滯流體阻尼器的減震技術來降低地震力[1～3]。

本文對東北二環(huán)東西主線南幅橋主橋的減震設計進行了非線性時程有限元分析，對減震與非減震橋梁的減震效果進行對比分析，同時檢驗該橋在地震作用下能否滿足預期的功能要求，從理論上對東北二環(huán)東西主線南幅橋主橋的減震效果進行研究。

1 有限元模型

1.1 工程介紹

東北二環(huán)東西主線橋南側(cè)橋梁起點樁號K0+327.270，起橋高度 3.4 m，終點樁號 K0+958.548，落橋高度3.5 m，橋梁全長654.5 m，橋梁總寬13.0 m，匝道處局部加寬;在橋墩頂端放置GPZ(Ⅱ)系列支座。東北二環(huán)東西主線南幅橋采用4個粘滯阻尼器，在8號墩和11號墩的墩與梁之間各安裝2套，8號墩的阻尼器型號ZNQ800，阻尼器力學公式為 F=1000×V0.4，11號墩的阻尼器型號ZNQ1000，阻尼器力學公式為F=1500 ×V0.35。

現(xiàn)取2×26.5(等寬)+(31+51+31)(跨地裂縫)+24.5+4×30(等寬)三聯(lián)為研究對象，這部分橋型布置如圖1所示。

圖1 東北二環(huán)東西主線南幅橋6-16號橋墩橋型圖

圖2 橋梁有限元計算模型

1.2 有限元計算模型

采用有限元程序Ansys對該大橋進行抗震計算，采用空間梁單元beam188模擬預應力混凝土連續(xù)梁橋的主梁和橋墩;二期恒載采用集中質(zhì)量單元mass21模擬;GPZ(Ⅱ)系列支座用單元combine39來模擬，單元的臨界滑動摩擦力為:

式中，μ為滑動摩擦系數(shù)，F(xiàn)N為橋梁自重作用下支座的反力。

減震結(jié)構(gòu)考慮墩與梁之間縱橋向減震，采用combine37單元來模擬粘滯流體阻尼器。分析中邊界條件為橋墩根部完全固定，考慮的荷載包括橋梁自重以及橋縱向水平地震作用。考慮到各聯(lián)之間的相互作用，計算中將6～16墩作為一個整體進行計算。這部分橋梁有限元模型簡圖如圖2所示。為了進行對比研究，分析計算工況包括非減震狀態(tài)和采用粘滯流體阻尼器進行減震。

2 分析用地震波

在進行該橋梁的地震時程響應計算時，依據(jù)公路工程抗震設計規(guī)范規(guī)定，應采用多條地震波進行計算分析，為便于比較，現(xiàn)選用3條地震波進行分析，分別為三條經(jīng)調(diào)整與設計反應譜相容的El Centro波和Kobe波以及Taft波。根據(jù)設計單位提供的資料，該橋場地類別為Ⅱ類場地土，抗震設防烈度為8度，根據(jù)抗震規(guī)范，該橋的抗震重要性系數(shù)Ci對E1地震作用取0.5，對E2地震作用取1.7，Cs場地系數(shù)取1，Cd阻尼調(diào)整系數(shù)取1，A設計基本加速度峰值取0.2g。

3 時程分析結(jié)果

本文中將分別對該橋進行非減震分析和減震分析。非減震狀態(tài)地震作用下GPZ(Ⅱ)系列支座已經(jīng)開始滑動，結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷€性結(jié)構(gòu)，因此在地震作用下橋梁的地震反應計算只能用時程分析法。而非減震狀態(tài)下僅計算E2地震作用下順橋向的結(jié)構(gòu)響應。

在地震作用下，粘滯流體阻尼器進入強烈非線性狀態(tài)而耗能，因此，減震狀態(tài)下順橋向的地震反應計算也只能用時程分析法。在E1地震作用下，地震水平力合理的分配在各個橋墩中，減少了地震力集中的現(xiàn)象，改善了結(jié)構(gòu)的受力不均勻，阻尼器作用較小，因此不予計算;而在E2地震作用下粘滯流體阻尼器將會大幅度降低墩頂位移，減少橋墩底部的內(nèi)力。因此僅計算在E2地震作用下，順橋向所對應的墩頂最大位移和墩底的相應內(nèi)力。

由分析可知，在El-centro1波作用下，結(jié)構(gòu)的響應最為明顯，墩頂位移和墩底的相應內(nèi)力為三種波作用中最大的，這里只列出El-centro1波作用下產(chǎn)生的墩頂位移和墩底內(nèi)力，其中表1為非減震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)的墩頂位移對比，表2為非減震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)的墩底內(nèi)力對比。

表1 非減震和減震墩底內(nèi)力對比

(續(xù)表)

表2 非減震和減震墩頂位移對比

4 結(jié)論

(1)在E2地震作用下，非減震結(jié)構(gòu)固定墩剪力過大，導致支座剪切破壞，嚴重影響橋梁的安全運行，甚至導致橋梁倒塌。

(2)在E2地震作用下，減震結(jié)構(gòu)墩底彎矩和剪力更合理地分布在各個墩上，彎矩最大減震率達85%，剪力最大減震率達84%，保證了橋梁的安全運行。

(3)建議在9號墩和12號墩處用120的伸縮縫。

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