羅鵬軍，杜春林，韓廣鵬，吳世曾，楊 靖

(重慶市市政設計研究院，重慶 400020)

高烈度震區(qū)鉛芯橡膠支座隔震橋梁抗震性能分析

羅鵬軍，杜春林，韓廣鵬，吳世曾，楊 靖

(重慶市市政設計研究院，重慶 400020)

高烈度震區(qū)橋梁在地震作用下的結構響應較為復雜，傳統(tǒng)的抗震設計很難實現橋梁的抗震性能目標。通過對1座位于9度震區(qū)的橋梁進行E1地震作用下的多振型反應譜分析以及E2地震作用下的非線性時程分析，計算結果表明，在E1和E2地震作用下采用鉛芯橡膠支座隔震橋梁的地震響應較未隔震橋梁均有大幅減小。因此，對于位于高烈度震區(qū)的橋梁可通過合理的減隔震設計使結構地震響應大幅減小，從而可提高結構的抗震安全性，實現橋梁抗震性能目標。

高烈度震區(qū)；減隔震設計；反應譜；非線性時程

我國地處環(huán)太平洋及亞歐兩大地震帶之間，是一個強震多發(fā)的國家[1]。根據國家地震局公布的我國地震烈度基本區(qū)劃圖，我國地震烈度為7度或7度以上的區(qū)域占國土面積的近1/3，其中有相當部分區(qū)域甚至達到了9度以上。橋梁工程作為震后抗震救災生命線系統(tǒng)工程中的重要環(huán)節(jié)，橋梁的抗震設計得到了越來越多工程師的重視。研究和實踐表明，合理的減隔震設計可以使橋梁結構的地震響應大幅降低[2，3]。因此，有必要通過合理的減隔震設計使橋梁結構的地震響應減小，以保證其地震作用下的安全性。以1座位于9度震區(qū)采用鉛芯橡膠支座隔震的橋梁為例，計算分析了大橋分別在E1和E2地震作用下的結構響應，并將計算結果與未隔震結構在相同地震作用下的計算結果進行對比，證實了隔震設計用于高烈度震區(qū)橋梁結構的有效性。

1 工程概況

大橋位于昆明東川至尋甸倘甸二級公路，根據我國地震烈度基本區(qū)劃圖，大橋所處地區(qū)地震基本烈度為9度，大橋的抗震設計尤為重要。橋梁結構體系為2聯3×30 m橋面連續(xù)的預應力混凝土簡支T梁，橋墩采用雙柱式墩和空心薄壁墩。根據橋梁的重要性程度、地震破壞后橋梁結構功能喪失可能引起次生災害的損失以及建設單位所能承擔抗震防災的經濟能力，該大橋采用了減隔震抗震設計方法，利用鉛芯橡膠支座代替普通的板式橡膠支座，利用其在大震作用下的塑性變形及滯回耗能特性，減小結構的加速度響應，從而使橋梁結構本身不產生大的損傷。根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02—01—2008)確定大橋的抗震性能目標為：在E1地震作用下，橋梁結構完全處于彈性工作狀態(tài)；在E2地震作用下，除允許鉛芯橡膠支座發(fā)生較大的塑性變形外，橋梁結構的其他構件的響應基本為彈性或有限塑性。

2 計算模型

利用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil 2012建立三維有限元分析模型。采用三維梁單元模擬橋梁的主要構件，包括主梁、橋墩、橫系梁、蓋梁及樁基礎，較精確地模擬了各部分結構的剛度和質量。樁-土相互作用利用土彈簧模型模擬，土彈簧的剛度采用m法根據《公路橋梁抗震設計細則》及地質條件計算得到，全橋結構的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋結構三維有限元模型

圖4 橋墩內力減隔震率圖5 支座順橋向位移對比圖6 支座橫橋向位移對比

對于鉛芯橡膠支座的模擬，根據不同的分析目的可采用不同的方法[6]。當進行多振型反應譜分析時，由于反應譜法是一種線性的計算分析方法，無法考慮鉛芯橡膠支座的非線性特性，因此可根據其等效剛度及等效阻尼比采用線彈性彈簧單元模擬，其等效剛度及等效阻尼比可通過迭代的方法求得，迭代過程如圖2所示。而當進行非線性時程分析時，一般可采用雙線性恢復力模型或修正的雙線性恢復力模型進行模擬，本次計算采用的鉛芯橡膠支座的恢復力模型如圖3所示，其主要參數屈服前剛度k1、屈服強度QY、屈服后剛度k2根據廠家提供的參數確定。

圖2 鉛芯橡膠支座迭代過程

圖3 鉛芯橡膠支座恢復力模型

3 E1地震作用多振型反應譜分析

根據設計資料及《公路橋梁抗震細則》確定本次計算的E1設計反應譜參數，其中抗震重要性系數為0.43，場地系數為1.0，設計基本地震動加速度峰值為0.4g。利用前述計算模型及鉛芯橡膠支座等效剛度、等效阻尼比迭代方法確定本次計算中的彈性連接單元剛度為1 365 kN/m，阻尼比為0.156。由于該橋為曲線橋，需分別沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直連線水平方向進行多方向地震輸入，以確定最不利地震輸入方向，因此本次共計算了4種工況的地震動輸入，同時為了使各方向的振型參與質量達到90%以上，計算中考慮結構前60階振型參與組合。利用SRSS法進行方向組合，CQC法進行振型組合，最終計算得到了橋梁結構在設計E1地震作用下的最大響應，將計算結果與未隔震結構的計算結果進行比較，并用減隔震率來表示減隔震效果，減隔震率表示為：(非減隔震結果-減隔震結果)/非減隔震結果[7]。橋墩內力響應的減隔震率如圖4所示，支座順橋向位移及橫橋向位移對比結果分別如圖5和圖6所示。

公眾通過急救知識宣傳，掌握了必要的急救技能，其中100余人已成為醫(yī)院志愿者或社會志愿者，服務于科普志愿崗位。

從圖9～圖11可知，在E2地震作用下隔震結構的各橋墩內力較未隔震結構的各橋墩內力均有大幅減小，其中波形1作用下最大減小57.3%，波形2作用下最大減小57.5%，波形3作用下最大減小67.4%。5號橋墩為各橋墩中內力減小幅度最大的，而2、3號橋墩的內力減小幅度相對較小。從圖12和圖13可以看出，橋墩墩頂的順橋向和橫橋向位移在隔震后均有所減小，隔震前3條地震波作用下墩頂的順橋向最大位移分別為344.5、321.3、384.5 mm，橫橋向最大位移分別為193.1、213.9、205.0 mm，而隔震后3條地震波作用下墩頂的順橋向最大位移分別減為189.2、211.0、188.8 mm，橫橋向最大位移分別減為107.5、107.7、102.3 mm。

4 E2地震作用非線性時程分析

根據《公路橋梁抗震設計細則》，在進行時程分析時，為考慮地震動的隨機性，需采用不少于3組的設計加速度時程，且應保證任意兩組間同方向時程的相關系數的絕對值小于0.1，經過比較地震安評部門提供的3條人工波，經過對人工波擬合得到的反應譜與E2設計反應譜的對比，確定該3條波可以作為E2地震作用計算的地震動時程，各地震動時程曲線如圖7所示，擬合反應譜與設計反應譜曲線如圖8所示。鉛芯橡膠支座的滯回耗能特性利用前述雙線性恢復力模型模擬[8]。由于在使用非線性時程分析法時，疊加原理已不再適用，因此計算時需同時輸入各方向的加速度分量。利用以上模型并采用直接積分法計算得到橋梁結構在3條地震波作用下的結構最大響應，并將計算結果與未隔震結構的計算結果進行比較，得到各橋墩內力的減隔震效果以及墩頂位移的對比情況，橋墩內力的減隔震率如圖9～圖11所示，墩頂位移對比如圖12～圖13所示。

圖7 E2地震作用加速度時程曲線

圖8 擬合反應譜曲線與設計反應譜曲線

圖9 波形1橋墩內力減隔震率

圖10 波形2橋墩內力減隔震率

圖11 波形3橋墩內力減隔震率

圖12 墩頂順橋向位移對比

圖13 墩頂橫橋向位移對比

從圖4可以看出，E1地震作用下隔震后橋梁結構各橋墩的內力響應較未隔震結構的內力均有不同程度的減小，其中減小幅度最大的為5號橋墩，其順橋向、橫橋向的彎矩和剪力均減小了50%以上。從圖5和圖6可知，由于支座剛度減小，隔震后橋梁結構支座位移較未隔震結構的支座位移均有所增加。其中隔震后順橋向最大位移為39.2 mm，橫橋向最大位移為33.4 mm，而未隔震的順橋向最大位移為31.9 mm，橫橋向最大位移為20.8 mm。

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5 結論

通過前述計算分析可知，在E1和E2地震作用下采用鉛芯橡膠支座隔震的橋梁內力響應較未隔震橋梁均有大幅減小。E1地震作用下橋墩的內力最大減幅為55.2%，但支座變形有所增加。在3組E2地震時程波作用下的橋墩內力最大減幅分別為57.3%、57.5%、67.4%，橋墩墩頂位移也有不同程度的減小。因此，對于高烈度震區(qū)的橋梁，合理的減隔震設計可以使結構的地震內力響應明顯減小，從而可提高結構的抗震安全性，實現橋梁的抗震性能目標。但由于隔震支座的影響，支座位移量有所增大，設計中需特別注意主梁位移的控制，防止支座滑脫造成落梁。

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Seismic Performance Analysis of Bridges Isolated by Lead Rubber Bearing in High Seismic Intensity Area

LUO Peng-jun， DU Chun-lin， HAN Guang-peng， WU Shi-zeng， YANG Jing

(Chongqing Municipal Design & Research Institute， Chongqing 400020， China)

The response of bridges in high seismic intensity areas under seismic action is relatively complicated， which makes it hardly possible to achieve the seismic performance with traditional seismic design. the modal response spectrum analysis under earthquake action E1 and nonlinear time-history analysis under earthquake action E2 are taken at a bridge in 9 degree seismic area. The results shown that the response of an bridge isolated by lead rubber bearing is much smaller than a non-isolation bridge under both earthquake action E1 and earthquake action E2.Therefore， the seismic response of bridges in high seismic intensity area can be greatly reduced through reasonable seismic isolation design， the structural seismic safety is thus improved and the seismic performance of bridges is guaranteed.

High seismic intensity Area; Seismic isolation design; Response spectrum; Nonlinear time-history analysis

2015-01-04；

2015-01-23

羅鵬軍(1988—)，男，助理工程師，工學碩士，E-mail：pjluo1988@126.com。

1004-2954(2015)10-0073-03

U442.5+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.017