郭紅梅，周 燕，張 凱，李 宇

(1.天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；3.天津市賽英工程建設咨詢管理有限公司，天津 300191；4.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

大跨連續(xù)梁橋樁基礎的減隔震分析

郭紅梅1，2，周 燕1，2，張 凱3，李 宇4

(1.天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；3.天津市賽英工程建設咨詢管理有限公司，天津 300191；4.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

以中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋為背景，采用鉛芯橡膠支座代替普通支座，建立了隔震和非隔震連續(xù)梁橋有限元模型.并通過選取合理強震記錄作為地震輸入，研究了鉛芯橡膠支座對大跨連續(xù)梁橋樁基礎地震響應的影響，從中可知：(1)鉛芯橡膠支座可使樁基頂部的彎矩和剪力明顯減少，進而保證地震作用下樁基的安全；(2)鉛芯橡膠支座使剪力和彎矩在不同橋墩間的分配趨于均勻，在使用相同樁基的情況下，減少了強度的浪費.可見，鉛芯橡膠支座可改善樁基受力，并可優(yōu)化樁基設計.

梁式橋；鉛芯橡膠支座；減隔震設計；彈塑性位移；非線性分析

0 引言

近年來，結構的減隔震研究引起了國內(nèi)外學者的極大關注，許多已建成的橋梁結構都采用了減隔震技術.國內(nèi)外學者對鉛芯橡膠支座(LRB)進行了廣泛的研究.Tsai H C等[1]研究了LRB非線性隔震結構的基于反應譜的地震反應分析；Hwang J S等[2-4]對LRB 隔震橋梁的等效線性化設計方法及隔震橋梁的等效阻尼比進行究；Turkington等[5]提出了一個等效的LRB支座剛度和阻尼的線性設計曲線，使用單自由度系統(tǒng)分析了2個4跨橋梁在不同墩、臺和支座排列情況的地震響應，并根據(jù)對參數(shù)的研究提出了關于響應譜分析的設計方法；Ramallo J C等[6]使用一個兩自由度系統(tǒng)對LRB支座的抗震性能進行研究；Hwang J S等[7]在美國AASHTO規(guī)范的基礎上，對LRB支座提出了一個等效剛度和等效阻尼的線性公式，用于單自由度的譜分析.在實際應用方面，1983年新西蘭就提出了橋梁隔震設計和地震響應分析規(guī)范(NZMWD規(guī)范)；1992年美國提出了關于隔震設計的AASHT規(guī)范；日本在很多的橋梁中已經(jīng)開始使用了隔震設計[8].Jangid R S[9]均指出，使用等效的單自由度線性系統(tǒng)分析會有較大的誤差，而使用多自由度系統(tǒng)，考慮LRB的非線性特性，研究分析支座對橋梁的隔震效果很有必要.中國在橋梁隔震設計研究起步較晚，同濟大學的范立礎等[10]對橋梁的隔震設計進行過系統(tǒng)的研究.陳水生[11-12]也對高架橋梁的地震響應控制進行了研究.王麗等[13]對LRB隔震橋梁的減震效果進行了研究，分別采用非線性水平和轉動彈單元來模擬減隔震支座和橋墩延性鉸的非線性性能，首次把支座和橋梁結構納入一個系統(tǒng)中，并考慮其相互影響和相互作用.

雖然上述學者對LRB對橋梁橋地震響應的影響進行了大量的研究，但他們的研究主要都是集中在上部結構或者橋墩，而鮮有文獻提及LRB對橋梁基礎地震響應的影響，因此筆者以兩座特大連續(xù)梁橋為工程背景，研究了LRB對大跨連續(xù)梁橋樁基礎地震響應的影響.

1 工程概況

筆者以中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋為工程實例，以研究LRB對大跨連續(xù)梁橋樁基礎地震響應的影響.如圖1(a)所示，S202線中寧黃河公路大橋，主橋采用變截面預應力混凝土連續(xù)梁式橋，跨徑組合為(40+8×80+40)m，長度為720 m.主墩墩身左右分幅設置，六邊形實心結構.墩身順橋向為3 m，橫橋向為10.65 m，墩頂設支座.中墩設8Φ1.8 m樁基，邊墩設2Φ1.8 m樁基. 如圖1(b)所示，S202線中衛(wèi)黃河公路大橋為變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為(60+6×90+60)m，主橋長度為660 m.主墩墩身采用實體矩形墩，順橋向尺寸3 m，橫橋向尺寸17.1 m，橋墩兩側設置破冰棱，主墩墩身下接承臺，承臺下設置11根Φ1.8 m樁基.過渡墩墩身采用實體矩形墩，順橋向尺寸2 m，橫橋向尺寸16.3 m，承臺下設置8根Φ1.7 m樁基.

圖1 橋型布置圖Fig.1 Layout of bridges

根據(jù)中國地震局GB 18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[14]，本工程所經(jīng)地震動峰值加速度為0.2 g，地震基本設防烈度為Ⅷ度，反應譜特征周期T=0.45 s.

2 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件SAP2000建立中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋的有限元分析模型如圖2所示，主梁和橋墩均采用三維空間梁單元，橫隔板荷載和二期荷載作為梁單元附加質量，并建立考慮樁-土-結構相互作用的樁基模型.橋梁約束條件的模擬：利用規(guī)范[15]的“m法”計算土彈簧的剛度，采用表征土介質彈性值m參數(shù)計算的等代土彈簧剛度模擬樁土作用，樁底固結；主梁與橋墩根據(jù)實際支座類型建立非線性連接.坐標系取順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸.為進行對比研究，計算工況包括“非隔震橋梁”和“鉛芯橡膠減隔震橋梁”的地震動力時程分析.

筆者用兩個正交的水平非線性彈簧來模擬LRB的雙向非線性特性，并采用屈服前剛度K1、屈服后剛度K2和屈服強度Q作為LRB的力學控制參數(shù)，將非線性模型簡化為雙線性模型(圖3)進行分析計算(筆者定義剛度比η為屈服后剛度與屈服前剛度的比值).

圖2 隔震連續(xù)梁橋有限元模型Fig.2 FEA model for seismically isolated continuous bridges

依據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》[14]和本項目地震烈度和場地土類別，采用和場址場地土條件相近的天然地震波整理得到和設計加速度反應譜兼容地震波.計算采用的E2地震，X、Y方向加速度時程如圖4所示.

圖3 LRB雙線性滯回模型Fig.3 Bilinear hysteretic model of LRB

圖4 地震加速度時程Fig.4 Acceleration time history of Seismic in the fermentation

3 樁基礎地震響應的對比

3.1 中寧黃河公路大橋

本橋采用群樁基礎，每根邊墩下有2根樁，每根中間墩下有8根樁.為比較在地震作用下，減隔震連續(xù)梁橋和非隔震連續(xù)梁橋整橋樁基的受力情況，圖5和6選取每座橋墩下樁基中受力最大的一根進行對比，從中可以看出：在3條地震波作用下，不管是順橋向還是橫橋向，鉛芯橡膠支座都使樁基頂部的彎矩和剪力明顯減少，保證地震作用下樁基的安全；同時鉛芯橡膠支座使剪力和彎矩在不同橋墩間的分配趨于均勻，在使用相同樁基的情況下，減少了強度的浪費.

圖5 樁基頂部最大彎矩Fig.5 Max transverse moment of pile top

為確定鉛芯橡膠支座對一座橋墩下每根樁地震響應的影響，須選取一個橋墩下的所有樁進行分析.由于9#橋墩作為非隔震連續(xù)梁橋安裝固定支座的橋墩，受力情況最為不利，因此選取9#橋墩下的所有樁進行受力分析.

圖7和圖8為地震作用下，非隔震和隔震連續(xù)梁橋模型9#橋墩下8根樁基的受力對比.從圖7和8可以看出：在3條地震波作用下，隔震連續(xù)梁橋模型中的樁基受力都遠小于非隔震連續(xù)梁橋，說明使用鉛芯橡膠支座能夠大幅減少地震時樁基破壞的情況.同時，鉛芯橡膠支座還有使樁基受力更均勻的作用，對抗震有利.

圖6 樁基頂部最大剪力Fig.6 Max transverse shear of pile top

圖7 9#墩樁基頂部最大彎矩Fig.7 Max transverse moment of pile top at Pier 9 in the fermentation

圖8 9#墩樁基頂部橫橋向最大剪力Fig.8 Max transverse shear of pile top at Pier 9

3.2 中衛(wèi)黃河公路大橋

隔震連續(xù)梁橋與非隔震連續(xù)梁橋的有限元模型都考慮了樁-土-結構相互作用，樁-土模型采用m法樁進行模擬，其地震響應分析峰值反映對比如圖9和10所示.

由圖10(a)、(b)可看出：采用鉛芯橡膠支座狀態(tài)，與非隔震支座狀態(tài)進行樁基頂受力相比，樁基頂順橋向彎矩最大減震89%，樁基頂橫橋向彎矩最大減震24%，樁基頂順橋向剪力最大減震76%，樁基頂橫橋向剪力最大減震61%.鉛芯橡膠支座的使用對改善樁基受力同樣有顯著作用，平衡了各樁基受力，便于優(yōu)化樁基設計.

4 結論

筆者以中寧和中衛(wèi)黃河公路大橋為工程背景，研究了鉛芯橡膠支座對大跨連續(xù)梁橋樁基礎地震響應的影響.從中可知：(1)鉛芯橡膠支座都使樁基頂部的彎矩和剪力明顯減少，保證地震作用下樁基的安全；(2)鉛芯橡膠支座使剪力和彎矩在不同橋墩間的分配趨于均勻，在使用相同樁基的情況下，減少了強度的浪費.可見，鉛芯橡膠支座可改善樁基受力，并可優(yōu)化樁基設計.

圖9 12#～20#橋墩1號樁基頂最大彎矩Fig.9 Peak moment at the top section of piles

圖10 12#～20#橋墩1號樁頂最大剪力Fig.10 Peak shear at the top section of piles

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Aseismic Isolation for Pile Foundation of Long-span Continuous Girder Bridge

GUO Hong-Mei1,2， ZHOU Yan1,2, ZHANG Kai3, LI Yu4

(1.Department of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China； 2.Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment of Tianjin, Tianjin 300384, China； 3.Tianjin Saiying Engineering Construction Consultancy Management Co.Ltd, Tianjin 300191, China； 4.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

By using FEA software, analysis models of seismically isolated and non-isolated continuous bridges are established for Zhongning and Zhongwei Yellow River highway bridge. And the effect of LRB for seismic response of this bridge is analysised by consideering force, energy and displacement under the function of the reasonably chosen seismic motion. The results indicate that the natual period of seismically isolated bridge can be prolonged to avoid the principal period of ground. Meanwhile, the seismic energy of structure can be efficiently consumed by the hysteretic energy dissipation of lead rubber bearing. So the response of bridge structure can be reduced. The decrease of the structural force and moment is benefic for seismic design by using LRB.

beam bridge; LRB; aseismic design; elasto-plastic displacement; nonlinear analysis

2014-06-07；

2014-09-10

國家自然科學基金資助項目(51408042)；天津市市政公路行業(yè)科技創(chuàng)新計劃項目(2013-04);2012年天津市“131”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工程第三層次資助計劃;2013年天津市高?！皟?yōu)秀青年教師資助計劃”

郭紅梅(1977-)，女，山西長治人，天津城建大學講師，碩士研究生，主要從事，E-mail:ghmtj@126.com.

1671-6833(2015)01-0070-05

U442.5

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.017