趙 帥 劉文會

(吉林建筑大學交通科學與工程學院，長春 130118)

我國是世界上多地震國家之一，地震對橋梁及社會發(fā)展造成巨大損失，因此,對橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計顯得尤為重要.從國內(nèi)外的大量研究表明,將減隔震裝置應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)可以減小橋墩對地震作用的響應(yīng),從而保護橋梁結(jié)構(gòu)免受地震破壞,提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性,避免橋梁結(jié)構(gòu)破壞后的修復(fù)困難.本文以長春市“兩橫兩縱”快速路立交橋為工程背景,依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》對選定的三跨連續(xù)梁橋進行抗震設(shè)計,為同類橋梁的抗震設(shè)計提供參考.

1 減隔震機理和實用裝置

1.1 減隔震機理

在地震對橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞時,為了提高橋梁的抗震能力,一種有效的辦法就是應(yīng)用減隔震技術(shù).橋梁減隔震設(shè)計是通過引入隔震裝置改變結(jié)構(gòu)在地震中的動力響應(yīng),從而減少地震動輸入,減小對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞.

1.2 減隔震裝置

板式橡膠支座是在橋梁工程中常用的支座,板式橡膠支座在地震作用下其滯回曲線是狹長的,可以近似的取為線形處理,其恢復(fù)力模型如圖1所示[1].

鉛芯橡膠支座是由板式橡膠支座插入鉛芯形成的,是集減震和耗能為一體的減隔震裝置,可以有效地降低地震動作用力,在橋梁減隔震領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用[2].鉛芯橡膠支座有較好的滯回特性,其初始剪切剛度可達板式橡膠支座的10倍以上,其屈服后的剛度接近于普通疊層橡膠支座剛度.近些年,鉛芯橡膠支座被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外橋梁的減隔震設(shè)計.

在進行鉛芯橡膠支座隔震橋梁非線性地震響應(yīng)分析時,很重要的一步是建立合理的滯回恢復(fù)力動力特性模型.我國《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了鉛芯橡膠支座的恢復(fù)力模型如圖2.

圖1 板式橡膠支座恢復(fù)力模型

圖2 鉛芯橡膠支座的恢復(fù)力模型

2 獨柱墩連續(xù)梁橋動力分析

2.1 建立有限元模型

本文以長春市“兩橫兩縱”立交橋為工程背景,對選定的獨柱墩三跨連續(xù)梁橋建立模型.橋梁跨徑組合為30 m+30 m+30 m,橋?qū)? m,橋墩高度從0號～3號分別為8.1 m,7.8 m,6.5 m,5 m.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用C 50混凝土,墩柱采用C 40混凝土，其縱斷面圖見圖3.

本文應(yīng)用MIDAS CIVIL有限元軟件對連續(xù)梁橋建立動力模型.全橋考慮下部結(jié)構(gòu)-上部結(jié)構(gòu)的共同協(xié)同工作抵抗橫橋向地震作用.該橋梁均采用梁單元建立,對球型鋼支座與板式橡膠支座采用彈簧單元模擬,鉛芯橡膠支座采用彈簧與阻尼并聯(lián)模擬.橋面鋪裝及護欄的的重量轉(zhuǎn)換為均布荷載,樁基與土采用墩底固結(jié).全橋模型共計141個單元,146個節(jié)點,建立的模型見圖4.

圖3 連續(xù)梁橋縱斷面

圖4 全橋有限元模型

2.2 輸入地震波的選擇

在對橋梁進行時程分析時,要保證時程結(jié)果的合理性,就必須要選擇合理的地震波.一般而言,可供結(jié)構(gòu)時程分析使用的地震波有3種:① 擬建場地的實際地震記錄;② 典型的過去強震記錄;③ 人工地震波.本文選定的三跨獨柱墩連續(xù)梁橋位于長春市,抗震設(shè)防烈度為7度,場地類型為Ⅲ類,設(shè)計基本地震動加速度為0.1g,抗震設(shè)防類別為B類,E 2地震作用的抗震重要性系數(shù)為1.3.

由《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]可知,采用時程分析法時,應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線,其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3.本文對所選橋梁進行E 2地震作用分析,選擇了三條地震波,分別為El-Centro波、Northridge波和人工波,三條波的加速度時程曲線如圖5～圖7所示.

圖5 El-Centro波

圖6 Northridge波

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》[4]規(guī)定,對結(jié)構(gòu)時程分析的結(jié)果進行討論時,當采用3組時程波計算時,應(yīng)取3組時程分析結(jié)果的最大值.根據(jù)MIDAS計算的支座反力,球型鋼支座尺寸采用QDQZ-Ⅱ-3000-e165,板式橡膠支座尺寸根據(jù)《JTT 663-2006公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列》采用GJZ 550×650×95(NR),鉛芯橡膠支座尺寸根據(jù)《JTT 822-2011公路橋梁鉛芯橡膠支座》采用J4Q 520×520×217G1.2.采用不同支座時,E 2地震作用對1號橋墩墩底的剪力時程曲線如圖8～圖10所示.

圖7 人工波

圖8 采用球型鋼支座1號墩墩底剪力時程

圖9 采用板式橡膠支座1號墩墩底剪力時程

圖10 采用鉛芯橡膠支座1號墩墩底剪力時程

對橋墩的內(nèi)力時程結(jié)果進行分析總結(jié)(見表1).根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》，在E 2地震作用下,經(jīng)過MIDAS計算,1號墩墩頂?shù)娜菰S位移Δu1=69.1 mm,2號墩墩頂位移Δu2=49.4 mm.

表1 E2地震作用橫橋向地震響應(yīng)值

由表1可知,1號墩和2號墩墩頂位移均未超過其容許值,鉛芯橡膠支座減震效果是最優(yōu)的.

3 結(jié)論

(1) E 2地震作用下,鉛芯橡膠支座的減震效果明顯,相對板式橡膠支座與球型鋼支座而言,大幅度減小了橋墩墩底的剪力和墩底的彎矩;

(2) 由于鉛芯橡膠支座的隔震阻尼作用,耗散了地震的能量,減小了地震力對橋梁結(jié)構(gòu)的作用.尤其對于橫向穩(wěn)定系數(shù)較低的獨柱墩連續(xù)梁橋,采用鉛芯橡膠支座提高了其穩(wěn)定性;

(3) 由于鉛芯橡膠支座的滯回面積遠大于板式橡膠支座和球型鋼支座,對橋梁下部結(jié)構(gòu)的減震起到了很大作用.

參 考 文 獻

[1] 蔣建軍,李建中,范立礎(chǔ).橋梁板式橡膠支座與粘滯阻尼器組合使用的減震性能研究[J].公路交通科技,2005(8):44-48.

[2] 李建中,辛學中.連續(xù)梁橋減震、隔震體系非線性地震反應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動,1998,18(3):67-73.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2001)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[4] 中華人民共和國交通部.公路橋梁抗震設(shè)計細則(JTJ/T B02-01-2008)[S].北京:人民交通出版社,2008.