E型钢支座对铁路简支梁桥隔震效果研究

王月钱，钟铁毅，顾正伟，张常勇

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

桥梁一旦在地震中发生破坏，会造成巨大的经济损失和社会损失。近年来，桥梁地震震害所带来的教训是深刻的[1]，特别是汶川地震和玉树地震发生后，桥梁的抗震设计更加受到人们的广泛关注。在桥梁抗震设计方法上，除了传统的强度抗震设计外，减隔震技术在我国铁路工程中也不乏应用实例。目前，国内外桥梁常用的减隔震支座有铅芯橡胶支座、滑动摩擦支座和E型钢阻尼支座等几种类型，其中对铅芯橡胶支座的研究相对较多，如吴彬、庄军生对铅芯橡胶支座进行了力学性能试验[2]，钟铁毅、杨风利等对铅芯橡胶支座在铁路简支梁桥上的应用进行了研究[3-4]，曾攀、张贞阁等对铅芯橡胶支座在连续梁桥上的应用进行了研究[5-6]等，而对E型钢阻尼支座的应用研究较少。E型钢阻尼支座与铅芯橡胶支座相比，具有更好的耐久性，因此对其在铁路桥梁的应用进行研究很有意义。本文基于有限元分析软件SAP2000建立了不同墩高的铁路简支梁桥模型，采用E型钢阻尼支座对其减隔震效果进行研究。得出了一些有价值的结论，可为同类桥梁的减隔震设计提供有价值的参考。

1 结构分析模型及地震激励的选取

1.1 简支梁桥分析模型

本文以某铁路线8跨简支梁桥为例进行计算分析，每跨简支梁跨径均为32 m，除两桥台外，7座桥墩高度不等，变化范围为21～58 m，各桥墩高度如表1所示。该桥上部梁体为 T形截面，采用C50混凝土，质量500 t;桥墩均为空心圆端形变截面桥墩，采用C35混凝土。基于通用有限元分析软件 SAP2000，采用墩底固结，分别建立了各桥墩的未隔震和减隔震分析模型，如图1所示。其中，墩身使用框架单元模拟，E型钢阻尼支座使用连接单元模拟。

表1 桥墩高度 m

图1 计算模型示意

1.2 E型钢阻尼支座力学模型

E型钢阻尼支座是将E型钢阻尼元件与普通支座整合到一起得到的阻尼耗能连接结构，兼有竖向支撑和水平滞回耗能的作用。由于其结构全部由钢材制作而成，故E型钢阻尼支座具有良好的耐久性。E型钢阻尼支座结构如图2所示，其力学模型如图3所示。

图2 E型钢阻尼支座结构

图3 E型钢阻尼支座简化力学模型

图3中，Fy为支座屈服力，Fu为支座水平极限承载力;dy为支座的屈服位移，du为支座的极限位移;ku为支座的屈服前刚度，很明显ku=Fy/dy，kd为支座的屈服后刚度，硬化比η=kd/ku。本文所有桥墩均采用相同参数的E型钢阻尼支座，其基本力学参数如表2所示。

表2 E型钢阻尼支座基本力学参数

1.3 地震激励选取

所选铁路简支梁桥所处场地为Ⅱ类场地，按基本烈度8度设防。选取7条Ⅱ类场地实际地震记录作为激励，沿顺桥向加载，各地震波基本特性如表3所示。

表3 Ⅱ类场地地震波记录基本特性

2 计算结果与分析

2.1 隔震前后桥墩地震响应对比

不同墩高的桥墩未隔震时地震响应与隔震后地震响应随墩高的变化如图4和图5所示。图中横坐标为桥墩的高度，纵坐标为墩底弯矩或墩底剪力。

由图4和图5可知，在隔震前后，桥墩墩底弯矩和墩底剪力变化趋势大致是随着墩高的增大而增大。采用E型钢阻尼支座以后，桥墩墩底弯矩和墩底剪力与隔震前相比都明显降低，其中1号墩墩底弯矩的降低幅度最大，由未隔震前的5.04×104kN·m降低到隔震后的1.7×104kN·m，且墩底弯矩、剪力随高度的变化趋势与未隔震前相似。

图4 墩底弯矩与墩高的关系

图5 墩底剪力与墩高的关系

2.2 隔震率变化规律

各桥墩隔震率随桥墩高度的变化如图6所示。

图6 隔震率与墩高的关系

从图6可以看出，E型钢阻尼支座对墩底弯矩的隔震率随着墩高的增大大体上呈减小的趋势，且墩底弯矩的隔震率基本上都在50%以上。其中较矮的1号墩墩底弯矩的隔震率最大，达到66.29%，另外2，3，4号墩墩底弯矩的隔震率均在55%以上，而墩高最大为58 m的7号桥墩墩底弯矩的隔震率最小，其值为49.81%。E型钢阻尼支座对墩底剪力的隔震率都在40%以上，其中较矮的1号墩墩底剪力的隔震率最大，数值为52.89%，而墩高最大为58 m的7号桥墩墩底剪力的隔震率最小，其值为42.49%。

由墩底弯矩和墩底剪力隔震率的对比分析可知，E型钢阻尼支座对弯矩的减隔震效果好于对墩底剪力的减隔震效果。对于不同墩高的桥墩，E型钢阻尼支座的隔震效果相差较大。1号墩墩底弯矩的隔震率达到了 66.29%，而 7号墩只有 49.81%，相差了16.48%;1号墩墩底剪力隔震率达到52.89%与7号墩的42.49%相差了10.4%，这主要是由于桥梁的振动周期不同所致。

3 结论

1)在地震作用下，桥墩墩底弯矩和墩底剪力都随着墩高的增大而增大。采用E型钢阻尼支座以后，桥墩墩底弯矩和墩底剪力与隔震前相比都明显降低，其随墩高的变化趋势与未隔震时类似。

2)E型钢阻尼支座对墩底弯矩的减隔震效果和对墩底剪力的减隔震效果都随着墩高的增大而减小。通过对墩底弯矩和墩底剪力隔震率的对比分析可知，E型钢阻尼支座对墩底弯矩的减隔震效果要好于对墩底剪力的减隔震效果。

3)对于不同高度的桥墩，E型钢阻尼支座的隔震效果相差较大。本研究所采用的实例中，不同桥墩墩底弯矩的隔震率差最大达到16.48%，墩底剪力的隔震率差最大达到10.4%，这主要是由于桥梁振动周期不同所致。因此，在进行减隔震设计时，应针对不同高度的桥墩采用不同参数的E型钢阻尼支座，以达到优化的墩底弯矩和墩底剪力的减隔震效果。

[1]刘享，钟铁毅，杨风利，等.铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥参数影响研究[J].铁道建筑，2007(5):1-3.

[2]吴彬，庄军生.铅芯橡胶支座力学性能及其在桥梁工程中减、隔震应用研究[J].中国铁道科学，2004，25(4):138-140.

[3]钟铁毅，杨风利，吴彬.铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥双向地震响应分析[J].中国铁道科学，2007，28(3):38-43.

[4]杨风利，钟铁毅，夏禾.铁路简支梁桥减隔震支座设计参数的优化研究[J].铁道学报，2006，28(3):128-132.

[5]曾攀，阎贵平.铅芯橡胶支座动力特性对连续梁桥地震响应的影响[J].铁道学报，2001，23(5):96-101.

[6]张贞阁，钟铁毅，王丽.铁路连续梁桥铅芯橡胶支座的减隔震研究[J].中国安全科学学报，2003，13(5):41-45.