对连续梁桥减隔震支座抗震性能的比较分析

史 康，全 健，王福敏 ，耿 波

(1. 重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074；2.四川新宜建设投资有限公司 ，四川 宜宾 644000；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

近年来，国内外地震发生较为频繁，给人们的生命财产安全带来极大的影响。桥梁作为交通运输的生命线如何有效地减小地震作用的影响，越来越多地引起人们的重视。而减隔震技术可以显著提高桥梁结构在遭遇地震时的安全性，减轻结构的破坏。在大型桥梁的设计中得到越来越多的利用，传统的结构抗震设计方法是依靠增加结构的强度和延性变形能力来抵制地震，这就需要增大桥墩和基础的截面尺寸及配筋量，以达到抗震设防的标准。这种“以强制强”的设计方法，实际证明并不能有效地降低结构的地震反应。目前国内外广泛采用的隔震技术是，在桥墩与主梁的连接处采用减隔震支座，应用较广的支座形式有摩擦摆式支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座[1-5]。由于高阻尼橡胶支座仍处于起步阶段，现阶段主要采用的为铅芯橡胶支座和普通橡胶支座[6-10]。本文依托厦漳跨海大桥北汊南引桥，通过采用有限元非线性时程分析方法，比较分析铅芯橡胶减隔震支座、盆式橡胶支座对高烈度地区大跨径连续箱梁桥的抗震影响。

1 工程概况

厦漳跨海大桥北汊南引桥起于厦门海沧岸厦漳分界线青兴路附近的青礁枢纽立交桥，止于漳州龙海市沙坛村后宅处。按双向六车道高速公路标准设计，设计车速100 km/h，设计基准期100 a，车辆荷载等级取公路-I级，全长3 962.4 m，分为13联，桥面宽33 m，主梁采用强度为C50的钢筋混凝土连续箱梁，截面为单箱单室形式。采用钻孔灌注桩，桩分为2段，下段桩直径为1.6 m，上段桩直径为2.0 m。墩高范围18.059～10.625 m，墩身混凝土强度C40。基于分析考虑，本文选取北汊南引桥第10—12联进行计算分析，桥型布置为6×50 m+6×50 m+6×50 m。桥型布置图见图1；主梁截面形式见图2；墩身详细布置图见图3。

图1 桥型布置图(单位：cm)

图2 主梁截面形式(单位：cm)

(a)墩身立面布置图 (b)墩身平面布置图

2 减隔震设计

2.1 减隔震原理

图4(a)为结构的加速度反应谱，由图可知结构随着周期的延长其地震反应加速度能够得到有效的降低；而由图4(b)知，随着结构自振周期的增加，结构位移也同时增加，为了减小结构的位移可以采用增加结构阻尼的方式，从而最终减小地震对结构整体的影响。减隔震的设计原理是：1)增加结构的柔性以延长结构的自振周期，减小由地震所产生的地震荷载；2)增加结构的阻尼，以减小随着结构自振周期的延长而增加的位移。

(a) (b)

图4 加速度、位移时程变化图

2.2 常用桥梁减隔震支座模型模拟

目前应用较为广泛的为铅芯橡胶支座、摩擦摆式支座与高阻尼橡胶支座，其中铅芯橡胶支座是在普通橡胶支座的中部或中心竖直地压入纯度为99.9%的铅芯，利用铅芯在地震作用中的弹塑性性能来达到耗散地震能量的效果。由于铅的屈服应力较低(约7 MPa)，并在塑性变形条件下具有较好的耗能特性，被视为一种良好的阻尼器。铅芯橡胶支座具有较好的滞洄特性，其初始剪切刚度可以达到板式橡胶支座刚度的10倍以上，其屈服后的刚度接近板式橡胶支座的剪切刚度。基于铅芯橡胶支座的滞洄曲线近似的接近双线性行为，可用双线性模型模拟，其滞洄曲线见图5；而板式橡胶支座或活动盆式橡胶支座屈服后并不具备良好的可塑性，其滞洄曲线模型见图6。

图5 铅芯橡胶支座滞洄曲线

图5中，K1为弹性阶段的刚度，K2为屈服阶段的刚度。

图6 盆式橡胶支座滞洄曲线

盆式橡胶支座临界滑动摩擦力

Fmax=μdR

(1)

初始刚度为

(2)

式中：μd为滑动摩擦系数，一般取0.02；R为支座所承担的上部结构重力(kN)；xy为盆式橡胶支座屈服位移(m)，一般取0.002～0.005 m。

3 有限元模型

为了分析高烈度区不同减隔震支座对桥梁受力的影响，采用有限元动力非线性时程分析方法，利用MIDAS Civil 2010分别建立了使用盆式橡胶支座与铅芯橡胶支座的有限元模型。主梁与桥墩均采用梁单元模拟，共有节点685个，梁单元500个。有限元模型见图7。

图7 有限元模拟

铅芯橡胶支座与盆式橡胶支座均采用相同吨位的1 250 t与2 500 t支座，其相关的物理参数见表1、2。在建立盆式橡胶支座模型中，墩4支座固定，其他墩支座横桥向固定，顺桥向放开。墩底节点全部固定。

表1 铅芯橡胶支座力学性能

注：K2代表水平二次刚度。

表2 盆式橡胶支座力学性能

该桥桥址区抗震设防烈度为9度，建筑场地为A类，选用100 a超越概率10%的地震波样本进行动力时程分析，地震作用时最大地面加速度峰值为0.25 g，地震波时程函数见图8。

图8 地震波时程函数

4 铅芯橡胶支座与盆式橡胶支座对桥梁抗震性能影响比较

为了较为真实地反应结构在地震作用下的影响，比较分析时只提取中间一联的数据。中间联桥墩编号见以上有限元模型。

4.1 结构特征分析

结构特性分析时提取前15阶模态，在地震作用下2种不同支座形式的结构周期比较见表3。

表3 地震作用下结构周期比较 s

图9示给出了结构采用不同支座下，其前15阶模态对应的周期，采用铅芯橡胶支座最大振动周期为2.48 s，而盆式橡胶支座为1.81 s。并从图9可以看出铅芯橡胶支座明显地延长了结构的振动周期，这对整个结构来说是极其有利的。说明铅芯橡胶支座可以增加结构的延性，从而减小地震作用的影响。从图10、11可以看出铅芯橡胶支座滞回曲线与理论值很接近，说明了计算结果的可信性。

图9 结构振动周期

图11 铅芯橡胶支座滞回曲线(1 250 t)

4.2 内力响应比较

提取墩底部最不利截面进行内力比较，比较结果见表4—5、图12—14。

表4 顺桥向墩底内力

表5 横桥向墩底内力

(a)墩底顺桥向轴力 (b)墩底横桥向轴力

图12 墩底轴力

(a)墩底顺桥向弯矩 (b)墩底横桥向弯矩

图13 墩底弯矩

(a)墩底顺桥向剪力 (b)墩底横桥向剪力

图14 墩底剪力

由图12—14可以较明显看出，铅芯橡胶支座能够改善结构在地震作用下的影响，减小了上部结构传给桥墩的力。从图12—14可以看出，顺桥向在非固定墩(1—3、5—6)处采用铅芯支座的内力要大于盆式支座，而在固定墩(4号墩)处盆式支座内力明显大于铅芯橡胶支座。顺桥向在固定墩处弯矩、剪力减小约80%，在非固定墩弯矩增加60%～70%，剪力增加50%～65%，轴力在顺桥型全部墩均有减小，其范围为12%～37%。横桥向在全墩均减小，弯矩减小67%～76%，剪力减小65%～76%，轴力减小16%～36%。

导致此结果的主要原因是采用盆式支座时，4号墩为固定墩。在地震作用下固定墩承受了大部分的惯性力，这样相应减小了其他非固定墩的受力。而铅芯橡胶支座是由所有桥墩较均匀地分担全部的惯性力，这可以从图14中铅芯支座内力平稳增长的趋势得到很好的解释，与采用盆式支座出现较大幅度的波动有很明显的对比。同时，经计算2种不同支座形式在地震作用下总的内力值基本一致。横桥向由于2种支座均固定，没有出现顺桥向的幅值波动，但是从受力来看采用铅芯橡胶支座可以极大改善结构的受力情况。

4.3 位移响应比较

选取主梁两端部和桥墩墩顶处进行位移比较分析，主梁梁端和桥墩墩顶位移分别见表6、7和图15。

表6 主梁梁端位移 cm

表7 桥墩墩顶位移 cm

(a)墩顶顺桥向位移 (b)墩顶横桥向位移

图15 墩顶位移

由表6、7与图15可以看出主梁梁端位移，铅芯支座大于盆式支座。横桥向主梁左右两端位移平均增加约200%；顺桥向平均增加约20%。墩顶位移顺桥向在非固定墩铅芯支座大于盆式支座，而在固定墩相反；横桥向位移盆式均大于铅芯。出现此种结果主要是由于铅芯支座阻止了上部结构受力传给下部结构，保证同样的惯性力作用下，通过采用增大上部结构的位移减小下部结构受力的影响。

5 结论

通过比较分析，铅芯橡胶支座较盆式橡胶支座而言，其可以较大地改善结构的受力性能。

1)铅芯橡胶支座可以延长结构在地震作用下的振动周期，增大结构的延性。其在延长桥梁自振周期的同时还能有效地吸收地震的能量，从而达到减震的目的。

2)铅芯橡胶支座能够改善结构在地震作用下的影响，减小上部结构传给桥墩的力。在固定墩处盆式支座受力明显大于铅芯橡胶支座，弯矩约为铅芯橡胶支座受力的4.9倍、剪力约为5.1倍。顺桥向在固定墩处弯矩、剪力减小约80%，轴力减小36%，在非固定墩弯矩增加60%～70%，剪力增加50%～65%，轴力减小12%～37%。横桥向在全墩均减小，弯矩减小67%～76%，剪力减小65%～76%，轴力减小16%～36%。

3)主梁梁端位移，铅芯支座大于盆式支座。主梁左右两端位移在横桥向平均增加约200%；顺桥向平均增加约20%。

基于以上的分析，铅芯橡胶减隔震支座能有效改善连续梁桥各墩的受力状况，隔震效果明显。在高烈度区的连续梁桥建议优先采用铅芯橡胶支座。

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