厦漳跨海大桥引桥隔震效果分析

王明远， 张星雷， 袁 涌

(1.福建厦漳大桥有限公司，福建 漳州 363100;2.华中科技大学 a.土木工程与力学学院;b.控制结构湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074)

地震是一种不可预知的自然灾害，严重影响了人类的生命安全。随着我国桥梁工程的迅速发展，桥梁抗震问题越来越受到关注。通过在桥梁结构中采用减、隔震技术，可以显著提高结构的抗震性能。厦漳大桥所经之处为临近台湾海峡地震高烈度区，并临近地震断层，其设计地震动峰值加速度要明显高于当前国内的其他桥梁，因此其地震问题不容忽视。根据目前的参考资料，厦漳跨海大桥的地震动参数在我国目前修建的公路桥梁中是比较大的，同时场地的特征周期相对较长，这样使得地震动对厦漳大桥输入的能量更多，地震响应更大。本文对厦漳大桥北汊南引桥的减震设计进行非线性时程有限元分析，采用滑动限位式铅芯隔震橡胶支座，利用混合隔震，消除由于支座的施工变形对桥墩产生附加水平力与较大的附加弯矩。

1 有限元模型

1.1 工程介绍

厦漳大桥北汊南引桥全长3962.4 m，分为13联，考虑到各联之间的相互影响，同时第7联在7～13联中墩高最高，为了对比不同墩高之间的隔震效果，取7～9联作为计算单元。7～9联跨径布置6×50 m连续箱梁，墩为5.4 m×2.7 m矩形截面。

1.2 有限元计算模型

采用商业有限元程序Ansys对该大桥进行抗震计算，采用空间梁单元beam188模拟预应力混凝土连续梁桥的主梁和桥墩;二期恒载采用集中质量单元mass21模拟;主梁与边墩之间的连结用combine39单元来模拟。桥梁结构有限元计算模型简图如图1所示，对于非隔震结构，墩与梁之间考虑板式橡胶支座，采用铰接，而桥台处考虑四氟板支座，采用摩擦单元，顺桥向则是用非线性摩擦滑移单元Combine39来模拟滑移支座。单元的起滑力为:

式中，μ为摩擦系数，FN为桥梁自重作用下支座的反力。

为了进行对比研究，分析计算工况包括非隔震状态、仅采用普通铅芯隔震橡胶支座进行隔震(简称无GAP隔震)和采用普通铅芯隔震橡胶支座和滑动限位式铅芯隔震橡胶支座的混合隔震系统(简称有GAP隔震，图2)。在有GAP隔震分析中，采用combin39组合单元模拟隔震支座的力学性能，而在无GAP隔震分析中，不考虑纵桥向和横桥向的自由位移量，仅考虑橡胶支座的力学性能。

图1 北汊南引桥7～9联有限元计算模型图

图2 滑动限位式铅芯隔震橡胶支座示意图

2 分析用地震波

厦漳大桥引桥采用两水准设防，分别为50年超越概率10%(重现期475年，E1地震作用)和100年超越概率10%(重现期1950年，E2地震作用)的超越概率。现选用其中地表面六条地震波进行分析，E1地震作用下，地震波最大加速度为0.176g。E2地震作用下，地震波最大加速度为0.275g。

3 时程分析结果

3.1 非隔震下主桥的抗震计算

在地震作用下，摩擦滑移支座已经开始滑动，结构变为非线性结构，理论上反应谱法只适合于计算线性结构，因此为了提高计算精度，对于非隔震状态下桥梁的地震反应计算也通过地震波时程分析法进行计算。

在E2地震作用下，第八联顺桥向内力如表1所示。非隔震结构的桥墩顶部位移过大和剪力较大导致板式橡胶支座剪切破坏，同时顺桥向桥墩弯矩过大，导致桥墩底部进入强烈的塑性变形，甚至突破塑性铰极限变形而导致桥墩发生破坏。

表1 顺桥向各墩底的内力最大响应(非隔震)

3.2 无GAP隔震支座隔震分析

在地震作用下，普通铅芯隔震橡胶支座延长了结构的自振周期，地震造成的位移反应主要集中在支座上，同时由于支座进入非线性状态而耗能，从而减少了桥墩的地震发应。而对于横桥向，在位移允许的条件下考虑隔震效果，但是必须设置档块。

在E1地震作用下，地震水平力合理的分配在各个桥墩中，减少了地震力集中的现象，改善了结构的受力不均匀，支座变形较小，对结构的影响较小，因此不予计算;而在E2地震作用下隔震支座将会大幅度降低墩顶位移，减少桥墩底部的内力。在E2地震作用下，顺桥向内力如表2所示。

表2 顺桥向各墩底的内力最大响应(无GAP隔质支座隔震)

3.3 有GAP隔震支座隔震分析

由于考虑到现浇混凝土的收缩徐变和使用过程中的温度变形，造成支座的水平变形，因为桥墩比较高，支座的水平变形大幅度地增加了墩底的弯矩。因此在实际的设计过程中根据施工计算过程和温度变化对支座造成的变形量，设计了滑动限位式铅芯隔震橡胶支座和普通铅芯隔震橡胶支座的混合隔震系统。在E2地震作用下，顺桥向桥墩底部内力如表3所示。

表3 顺桥向E2地震作用下各墩底的内力最大响应

4 减隔震效果分析

采用合适的铅芯隔震橡胶支座，通过耗能减震使得桥墩承受的地震力减少。由于铅芯隔震橡胶支座的水平刚度较小，隔震桥梁的地震位移反应集中在隔震支座上。

E2地震作用下，隔震支座进行了耗能减震有效的减少了桥墩的弯矩和剪力，取得了很好的隔震效果，使得弯矩和剪力合理的分布在各个桥墩中，使得桥墩底部的弯矩和剪力最大减少到达80%以上，保证了结构的安全。

5 结论

(1)在E2地震作用下，采用传统抗震方式时顺桥向的桥墩底部弯矩最大几乎达到桥墩设计弯矩的3倍，桥墩底部进入强烈塑性状态，变形超过极限塑性变形从而导致桥墩破坏。

(2)厦漳大桥北汊南引桥采用移动模架施工方式，现浇梁体混凝土。在施工过程中，由于混凝土的收缩、徐变和温度变形使支座发生变形，最大支座变形可达到100 mm以上，对桥墩底部产生附加弯矩，最大弯矩达到59423 kN·m。因此全部采用普通铅芯隔震橡胶支座是不合适的。

(3)在混合隔震中，滑动限位式铅芯隔震橡胶支座在到达限位装置前，可以自由滑动，使得地震位移反应有效地集中在支座部位，减少了桥墩底部的弯矩和剪力，提高了隔震效果。

(4)由于普通铅芯隔震橡胶支座和滑动限位式铅芯隔震橡胶支座的配合使用，改善了桥梁的动力特性，在不过度延长桥梁周期的前提下，有效地降低了桥墩底部的弯矩和剪力，隔震结构桥墩底部弯矩、剪力比非减隔震结构的桥墩底部弯矩、剪力最大减少了80%以上，保证了桥墩底部正截面抗弯和斜截面抗剪的需要。

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