大跨连续梁桥桩基础的减隔震分析

郭红梅，周 燕，张 凯，李 宇

(1.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；3.天津市赛英工程建设咨询管理有限公司，天津 300191；4.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064)

大跨连续梁桥桩基础的减隔震分析

郭红梅1，2，周 燕1，2，张 凯3，李 宇4

(1.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；3.天津市赛英工程建设咨询管理有限公司，天津 300191；4.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064)

以中宁和中卫黄河公路大桥为背景，采用铅芯橡胶支座代替普通支座，建立了隔震和非隔震连续梁桥有限元模型.并通过选取合理强震记录作为地震输入，研究了铅芯橡胶支座对大跨连续梁桥桩基础地震响应的影响，从中可知：(1)铅芯橡胶支座可使桩基顶部的弯矩和剪力明显减少，进而保证地震作用下桩基的安全；(2)铅芯橡胶支座使剪力和弯矩在不同桥墩间的分配趋于均匀，在使用相同桩基的情况下，减少了强度的浪费.可见，铅芯橡胶支座可改善桩基受力，并可优化桩基设计.

梁式桥；铅芯橡胶支座；减隔震设计；弹塑性位移；非线性分析

0 引言

近年来，结构的减隔震研究引起了国内外学者的极大关注，许多已建成的桥梁结构都采用了减隔震技术.国内外学者对铅芯橡胶支座(LRB)进行了广泛的研究.Tsai H C等[1]研究了LRB非线性隔震结构的基于反应谱的地震反应分析；Hwang J S等[2-4]对LRB 隔震桥梁的等效线性化设计方法及隔震桥梁的等效阻尼比进行究；Turkington等[5]提出了一个等效的LRB支座刚度和阻尼的线性设计曲线，使用单自由度系统分析了2个4跨桥梁在不同墩、台和支座排列情况的地震响应，并根据对参数的研究提出了关于响应谱分析的设计方法；Ramallo J C等[6]使用一个两自由度系统对LRB支座的抗震性能进行研究；Hwang J S等[7]在美国AASHTO规范的基础上，对LRB支座提出了一个等效刚度和等效阻尼的线性公式，用于单自由度的谱分析.在实际应用方面，1983年新西兰就提出了桥梁隔震设计和地震响应分析规范(NZMWD规范)；1992年美国提出了关于隔震设计的AASHT规范；日本在很多的桥梁中已经开始使用了隔震设计[8].Jangid R S[9]均指出，使用等效的单自由度线性系统分析会有较大的误差，而使用多自由度系统，考虑LRB的非线性特性，研究分析支座对桥梁的隔震效果很有必要.中国在桥梁隔震设计研究起步较晚，同济大学的范立础等[10]对桥梁的隔震设计进行过系统的研究.陈水生[11-12]也对高架桥梁的地震响应控制进行了研究.王丽等[13]对LRB隔震桥梁的减震效果进行了研究，分别采用非线性水平和转动弹单元来模拟减隔震支座和桥墩延性铰的非线性性能，首次把支座和桥梁结构纳入一个系统中，并考虑其相互影响和相互作用.

虽然上述学者对LRB对桥梁桥地震响应的影响进行了大量的研究，但他们的研究主要都是集中在上部结构或者桥墩，而鲜有文献提及LRB对桥梁基础地震响应的影响，因此笔者以两座特大连续梁桥为工程背景，研究了LRB对大跨连续梁桥桩基础地震响应的影响.

1 工程概况

笔者以中宁和中卫黄河公路大桥为工程实例，以研究LRB对大跨连续梁桥桩基础地震响应的影响.如图1(a)所示，S202线中宁黄河公路大桥，主桥采用变截面预应力混凝土连续梁式桥，跨径组合为(40+8×80+40)m，长度为720 m.主墩墩身左右分幅设置，六边形实心结构.墩身顺桥向为3 m，横桥向为10.65 m，墩顶设支座.中墩设8Φ1.8 m桩基，边墩设2Φ1.8 m桩基. 如图1(b)所示，S202线中卫黄河公路大桥为变截面预应力混凝土连续箱梁桥，跨径布置为(60+6×90+60)m，主桥长度为660 m.主墩墩身采用实体矩形墩，顺桥向尺寸3 m，横桥向尺寸17.1 m，桥墩两侧设置破冰棱，主墩墩身下接承台，承台下设置11根Φ1.8 m桩基.过渡墩墩身采用实体矩形墩，顺桥向尺寸2 m，横桥向尺寸16.3 m，承台下设置8根Φ1.7 m桩基.

图1 桥型布置图Fig.1 Layout of bridges

根据中国地震局GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》[14]，本工程所经地震动峰值加速度为0.2 g，地震基本设防烈度为Ⅷ度，反应谱特征周期T=0.45 s.

2 有限元模型的建立

采用有限元分析软件SAP2000建立中宁和中卫黄河公路大桥的有限元分析模型如图2所示，主梁和桥墩均采用三维空间梁单元，横隔板荷载和二期荷载作为梁单元附加质量，并建立考虑桩-土-结构相互作用的桩基模型.桥梁约束条件的模拟：利用规范[15]的“m法”计算土弹簧的刚度，采用表征土介质弹性值m参数计算的等代土弹簧刚度模拟桩土作用，桩底固结；主梁与桥墩根据实际支座类型建立非线性连接.坐标系取顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴.为进行对比研究，计算工况包括“非隔震桥梁”和“铅芯橡胶减隔震桥梁”的地震动力时程分析.

笔者用两个正交的水平非线性弹簧来模拟LRB的双向非线性特性，并采用屈服前刚度K1、屈服后刚度K2和屈服强度Q作为LRB的力学控制参数，将非线性模型简化为双线性模型(图3)进行分析计算(笔者定义刚度比η为屈服后刚度与屈服前刚度的比值).

图2 隔震连续梁桥有限元模型Fig.2 FEA model for seismically isolated continuous bridges

依据《公路桥梁抗震设计细则》[14]和本项目地震烈度和场地土类别，采用和场址场地土条件相近的天然地震波整理得到和设计加速度反应谱兼容地震波.计算采用的E2地震，X、Y方向加速度时程如图4所示.

图3 LRB双线性滞回模型Fig.3 Bilinear hysteretic model of LRB

图4 地震加速度时程Fig.4 Acceleration time history of Seismic in the fermentation

3 桩基础地震响应的对比

3.1 中宁黄河公路大桥

本桥采用群桩基础，每根边墩下有2根桩，每根中间墩下有8根桩.为比较在地震作用下，减隔震连续梁桥和非隔震连续梁桥整桥桩基的受力情况，图5和6选取每座桥墩下桩基中受力最大的一根进行对比，从中可以看出：在3条地震波作用下，不管是顺桥向还是横桥向，铅芯橡胶支座都使桩基顶部的弯矩和剪力明显减少，保证地震作用下桩基的安全；同时铅芯橡胶支座使剪力和弯矩在不同桥墩间的分配趋于均匀，在使用相同桩基的情况下，减少了强度的浪费.

图5 桩基顶部最大弯矩Fig.5 Max transverse moment of pile top

为确定铅芯橡胶支座对一座桥墩下每根桩地震响应的影响，须选取一个桥墩下的所有桩进行分析.由于9#桥墩作为非隔震连续梁桥安装固定支座的桥墩，受力情况最为不利，因此选取9#桥墩下的所有桩进行受力分析.

图7和图8为地震作用下，非隔震和隔震连续梁桥模型9#桥墩下8根桩基的受力对比.从图7和8可以看出：在3条地震波作用下，隔震连续梁桥模型中的桩基受力都远小于非隔震连续梁桥，说明使用铅芯橡胶支座能够大幅减少地震时桩基破坏的情况.同时，铅芯橡胶支座还有使桩基受力更均匀的作用，对抗震有利.

图6 桩基顶部最大剪力Fig.6 Max transverse shear of pile top

图7 9#墩桩基顶部最大弯矩Fig.7 Max transverse moment of pile top at Pier 9 in the fermentation

图8 9#墩桩基顶部横桥向最大剪力Fig.8 Max transverse shear of pile top at Pier 9

3.2 中卫黄河公路大桥

隔震连续梁桥与非隔震连续梁桥的有限元模型都考虑了桩-土-结构相互作用，桩-土模型采用m法桩进行模拟，其地震响应分析峰值反映对比如图9和10所示.

由图10(a)、(b)可看出：采用铅芯橡胶支座状态，与非隔震支座状态进行桩基顶受力相比，桩基顶顺桥向弯矩最大减震89%，桩基顶横桥向弯矩最大减震24%，桩基顶顺桥向剪力最大减震76%，桩基顶横桥向剪力最大减震61%.铅芯橡胶支座的使用对改善桩基受力同样有显著作用，平衡了各桩基受力，便于优化桩基设计.

4 结论

笔者以中宁和中卫黄河公路大桥为工程背景，研究了铅芯橡胶支座对大跨连续梁桥桩基础地震响应的影响.从中可知：(1)铅芯橡胶支座都使桩基顶部的弯矩和剪力明显减少，保证地震作用下桩基的安全；(2)铅芯橡胶支座使剪力和弯矩在不同桥墩间的分配趋于均匀，在使用相同桩基的情况下，减少了强度的浪费.可见，铅芯橡胶支座可改善桩基受力，并可优化桩基设计.

图9 12#～20#桥墩1号桩基顶最大弯矩Fig.9 Peak moment at the top section of piles

图10 12#～20#桥墩1号桩顶最大剪力Fig.10 Peak shear at the top section of piles

[1] TSAI H C, KELLY J M. Dynamic parameter identification for nonlinear isolation systems in response spectrum analysis[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1989, 18: 1119-1132.

[2] HWANG J S, SHENG L H. Equivalent Elastic Seismic Analysis of Base2iso2lated Bridges With Lead2rubber Bearing[J]. Engineering structures, 1994, 16 (3) : 201-209.

[3] HWANG J S, CHIOU J M. An Equivalen LinearModel ofLead2rubber SeismicIsolation Bearings[J]. Engineering Structures, 1996, 18 (7): 528-536.

[4] HWANG J S, CHANG K C, TSAI M H. Composite damping ratio of seismically isolated regular bridges[J]. Engineering Structures, 1997, 19 ( 1): 55-62.

[5] TURKINGTON D H, CARR A J, COOKE N, et al. Design method for bridges on lead rubber bearings[J]．Journal of Structural Engineering, 1989, 115(12): 3001-3033.

[6] RAMALLO J C, JOHNSON E A，SPENCER B F．“Smart” base isolation systems[J]．Journal of Engineering Mechanics，2002，128(10)：1088-1099．

[7] HWANG J S，SHENG I H．Effective stiffness and equivalent damping of base-isolated bridges[J]．Journal of Structural Engineering，1993，119(10)：3094-3101．

[8] CHAUDHARY M T A，MASATO A，FUJINO Y．Performance evaluation of base-isolated Yama-age bridge with high damping rubber bearings using recorded seismic data[J]．Engineerlng Structures，2001，23：902-910．

[9] JANGID R S．Seismic response of isolated bridges[J]．Journal of Bride Engineering，2004，9(2)：156-166

[10]范立础，王志强．大跨度桥梁隔震设计[M]．北京:北京人民交通出版社，2001．

[11]陈水生．高架桥梁地震响应磁流变阻尼器(MR)半主动控制[J]．长安大学学报：自然科学版，2003，23(6)：40-43．

[12]CHEN Shui-sheng．Magneto rheological(MR) dampers semi-active control of earthquake response for e1-evated bridge[J]．Journal of chang’an University：Natural Science Edition，2003，23(6)：40-43．

[13]王丽, 阎贵平, 孙立. LRB隔震桥梁的减震效果分析[J].工程力学,2003, 20 (5) : 124-129.

[14]GB 18306—2001.中国地震动参数区划图[S].北京：中国标准出版社，2001.

[15]重庆交通科研设计院.JTG/TB 02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

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

国家自然科学基金资助项目(51408042)；天津市市政公路行业科技创新计划项目(2013-04);2012年天津市“131”创新型人才培养工程第三层次资助计划;2013年天津市高校“优秀青年教师资助计划”

郭红梅(1977-)，女，山西长治人，天津城建大学讲师，硕士研究生，主要从事，E-mail:ghmtj@126.com.

1671-6833(2015)01-0070-05

U442.5

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.017