王明遠(yuǎn)， 張星雷， 袁 涌

(1.福建廈漳大橋有限公司，福建 漳州 363100;2.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院;b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

地震是一種不可預(yù)知的自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響了人類(lèi)的生命安全。隨著我國(guó)橋梁工程的迅速發(fā)展，橋梁抗震問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)中采用減、隔震技術(shù)，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。廈漳大橋所經(jīng)之處為臨近臺(tái)灣海峽地震高烈度區(qū)，并臨近地震斷層，其設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度要明顯高于當(dāng)前國(guó)內(nèi)的其他橋梁，因此其地震問(wèn)題不容忽視。根據(jù)目前的參考資料，廈漳跨海大橋的地震動(dòng)參數(shù)在我國(guó)目前修建的公路橋梁中是比較大的，同時(shí)場(chǎng)地的特征周期相對(duì)較長(zhǎng)，這樣使得地震動(dòng)對(duì)廈漳大橋輸入的能量更多，地震響應(yīng)更大。本文對(duì)廈漳大橋北汊南引橋的減震設(shè)計(jì)進(jìn)行非線性時(shí)程有限元分析，采用滑動(dòng)限位式鉛芯隔震橡膠支座，利用混合隔震，消除由于支座的施工變形對(duì)橋墩產(chǎn)生附加水平力與較大的附加彎矩。

1 有限元模型

1.1 工程介紹

廈漳大橋北汊南引橋全長(zhǎng)3962.4 m，分為13聯(lián)，考慮到各聯(lián)之間的相互影響，同時(shí)第7聯(lián)在7～13聯(lián)中墩高最高，為了對(duì)比不同墩高之間的隔震效果，取7～9聯(lián)作為計(jì)算單元。7～9聯(lián)跨徑布置6×50 m連續(xù)箱梁，墩為5.4 m×2.7 m矩形截面。

1.2 有限元計(jì)算模型

采用商業(yè)有限元程序Ansys對(duì)該大橋進(jìn)行抗震計(jì)算，采用空間梁?jiǎn)卧猙eam188模擬預(yù)應(yīng)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;主梁與邊墩之間的連結(jié)用combine39單元來(lái)模擬。橋梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖1所示，對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)，墩與梁之間考慮板式橡膠支座，采用鉸接，而橋臺(tái)處考慮四氟板支座，采用摩擦單元，順橋向則是用非線性摩擦滑移單元Combine39來(lái)模擬滑移支座。單元的起滑力為:

式中，μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)N為橋梁自重作用下支座的反力。

為了進(jìn)行對(duì)比研究，分析計(jì)算工況包括非隔震狀態(tài)、僅采用普通鉛芯隔震橡膠支座進(jìn)行隔震(簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)GAP隔震)和采用普通鉛芯隔震橡膠支座和滑動(dòng)限位式鉛芯隔震橡膠支座的混合隔震系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)有GAP隔震，圖2)。在有GAP隔震分析中，采用combin39組合單元模擬隔震支座的力學(xué)性能，而在無(wú)GAP隔震分析中，不考慮縱橋向和橫橋向的自由位移量，僅考慮橡膠支座的力學(xué)性能。

圖1 北汊南引橋7～9聯(lián)有限元計(jì)算模型圖

圖2 滑動(dòng)限位式鉛芯隔震橡膠支座示意圖

2 分析用地震波

廈漳大橋引橋采用兩水準(zhǔn)設(shè)防，分別為50年超越概率10%(重現(xiàn)期475年，E1地震作用)和100年超越概率10%(重現(xiàn)期1950年，E2地震作用)的超越概率?，F(xiàn)選用其中地表面六條地震波進(jìn)行分析，E1地震作用下，地震波最大加速度為0.176g。E2地震作用下，地震波最大加速度為0.275g。

3 時(shí)程分析結(jié)果

3.1 非隔震下主橋的抗震計(jì)算

在地震作用下，摩擦滑移支座已經(jīng)開(kāi)始滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷€性結(jié)構(gòu)，理論上反應(yīng)譜法只適合于計(jì)算線性結(jié)構(gòu)，因此為了提高計(jì)算精度，對(duì)于非隔震狀態(tài)下橋梁的地震反應(yīng)計(jì)算也通過(guò)地震波時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算。

在E2地震作用下，第八聯(lián)順橋向內(nèi)力如表1所示。非隔震結(jié)構(gòu)的橋墩頂部位移過(guò)大和剪力較大導(dǎo)致板式橡膠支座剪切破壞，同時(shí)順橋向橋墩彎矩過(guò)大，導(dǎo)致橋墩底部進(jìn)入強(qiáng)烈的塑性變形，甚至突破塑性鉸極限變形而導(dǎo)致橋墩發(fā)生破壞。

表1 順橋向各墩底的內(nèi)力最大響應(yīng)(非隔震)

3.2 無(wú)GAP隔震支座隔震分析

在地震作用下，普通鉛芯隔震橡膠支座延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的自振周期，地震造成的位移反應(yīng)主要集中在支座上，同時(shí)由于支座進(jìn)入非線性狀態(tài)而耗能，從而減少了橋墩的地震發(fā)應(yīng)。而對(duì)于橫橋向，在位移允許的條件下考慮隔震效果，但是必須設(shè)置檔塊。

在E1地震作用下，地震水平力合理的分配在各個(gè)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，支座變形較小，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，因此不予計(jì)算;而在E2地震作用下隔震支座將會(huì)大幅度降低墩頂位移，減少橋墩底部的內(nèi)力。在E2地震作用下，順橋向內(nèi)力如表2所示。

表2 順橋向各墩底的內(nèi)力最大響應(yīng)(無(wú)GAP隔質(zhì)支座隔震)

3.3 有GAP隔震支座隔震分析

由于考慮到現(xiàn)澆混凝土的收縮徐變和使用過(guò)程中的溫度變形，造成支座的水平變形，因?yàn)闃蚨毡容^高，支座的水平變形大幅度地增加了墩底的彎矩。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)施工計(jì)算過(guò)程和溫度變化對(duì)支座造成的變形量，設(shè)計(jì)了滑動(dòng)限位式鉛芯隔震橡膠支座和普通鉛芯隔震橡膠支座的混合隔震系統(tǒng)。在E2地震作用下，順橋向橋墩底部?jī)?nèi)力如表3所示。

表3 順橋向E2地震作用下各墩底的內(nèi)力最大響應(yīng)

4 減隔震效果分析

采用合適的鉛芯隔震橡膠支座，通過(guò)耗能減震使得橋墩承受的地震力減少。由于鉛芯隔震橡膠支座的水平剛度較小，隔震橋梁的地震位移反應(yīng)集中在隔震支座上。

E2地震作用下，隔震支座進(jìn)行了耗能減震有效的減少了橋墩的彎矩和剪力，取得了很好的隔震效果，使得彎矩和剪力合理的分布在各個(gè)橋墩中，使得橋墩底部的彎矩和剪力最大減少到達(dá)80%以上，保證了結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)論

(1)在E2地震作用下，采用傳統(tǒng)抗震方式時(shí)順橋向的橋墩底部彎矩最大幾乎達(dá)到橋墩設(shè)計(jì)彎矩的3倍，橋墩底部進(jìn)入強(qiáng)烈塑性狀態(tài)，變形超過(guò)極限塑性變形從而導(dǎo)致橋墩破壞。

(2)廈漳大橋北汊南引橋采用移動(dòng)模架施工方式，現(xiàn)澆梁體混凝土。在施工過(guò)程中，由于混凝土的收縮、徐變和溫度變形使支座發(fā)生變形，最大支座變形可達(dá)到100 mm以上，對(duì)橋墩底部產(chǎn)生附加彎矩，最大彎矩達(dá)到59423 kN·m。因此全部采用普通鉛芯隔震橡膠支座是不合適的。

(3)在混合隔震中，滑動(dòng)限位式鉛芯隔震橡膠支座在到達(dá)限位裝置前，可以自由滑動(dòng)，使得地震位移反應(yīng)有效地集中在支座部位，減少了橋墩底部的彎矩和剪力，提高了隔震效果。

(4)由于普通鉛芯隔震橡膠支座和滑動(dòng)限位式鉛芯隔震橡膠支座的配合使用，改善了橋梁的動(dòng)力特性，在不過(guò)度延長(zhǎng)橋梁周期的前提下，有效地降低了橋墩底部的彎矩和剪力，隔震結(jié)構(gòu)橋墩底部彎矩、剪力比非減隔震結(jié)構(gòu)的橋墩底部彎矩、剪力最大減少了80%以上，保證了橋墩底部正截面抗彎和斜截面抗剪的需要。

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