高烈度震区铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能分析

罗鹏军，杜春林，韩广鹏，吴世曾，杨 靖

(重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

高烈度震区铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能分析

罗鹏军，杜春林，韩广鹏，吴世曾，杨 靖

(重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

高烈度震区桥梁在地震作用下的结构响应较为复杂，传统的抗震设计很难实现桥梁的抗震性能目标。通过对1座位于9度震区的桥梁进行E1地震作用下的多振型反应谱分析以及E2地震作用下的非线性时程分析，计算结果表明，在E1和E2地震作用下采用铅芯橡胶支座隔震桥梁的地震响应较未隔震桥梁均有大幅减小。因此，对于位于高烈度震区的桥梁可通过合理的减隔震设计使结构地震响应大幅减小，从而可提高结构的抗震安全性，实现桥梁抗震性能目标。

高烈度震区；减隔震设计；反应谱；非线性时程

我国地处环太平洋及亚欧两大地震带之间，是一个强震多发的国家[1]。根据国家地震局公布的我国地震烈度基本区划图，我国地震烈度为7度或7度以上的区域占国土面积的近1/3，其中有相当部分区域甚至达到了9度以上。桥梁工程作为震后抗震救灾生命线系统工程中的重要环节，桥梁的抗震设计得到了越来越多工程师的重视。研究和实践表明，合理的减隔震设计可以使桥梁结构的地震响应大幅降低[2，3]。因此，有必要通过合理的减隔震设计使桥梁结构的地震响应减小，以保证其地震作用下的安全性。以1座位于9度震区采用铅芯橡胶支座隔震的桥梁为例，计算分析了大桥分别在E1和E2地震作用下的结构响应，并将计算结果与未隔震结构在相同地震作用下的计算结果进行对比，证实了隔震设计用于高烈度震区桥梁结构的有效性。

1 工程概况

大桥位于昆明东川至寻甸倘甸二级公路，根据我国地震烈度基本区划图，大桥所处地区地震基本烈度为9度，大桥的抗震设计尤为重要。桥梁结构体系为2联3×30 m桥面连续的预应力混凝土简支T梁，桥墩采用双柱式墩和空心薄壁墩。根据桥梁的重要性程度、地震破坏后桥梁结构功能丧失可能引起次生灾害的损失以及建设单位所能承担抗震防灾的经济能力，该大桥采用了减隔震抗震设计方法，利用铅芯橡胶支座代替普通的板式橡胶支座，利用其在大震作用下的塑性变形及滞回耗能特性，减小结构的加速度响应，从而使桥梁结构本身不产生大的损伤。根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02—01—2008)确定大桥的抗震性能目标为：在E1地震作用下，桥梁结构完全处于弹性工作状态；在E2地震作用下，除允许铅芯橡胶支座发生较大的塑性变形外，桥梁结构的其他构件的响应基本为弹性或有限塑性。

2 计算模型

利用桥梁专业有限元分析软件Midas/Civil 2012建立三维有限元分析模型。采用三维梁单元模拟桥梁的主要构件，包括主梁、桥墩、横系梁、盖梁及桩基础，较精确地模拟了各部分结构的刚度和质量。桩-土相互作用利用土弹簧模型模拟，土弹簧的刚度采用m法根据《公路桥梁抗震设计细则》及地质条件计算得到，全桥结构的三维有限元模型如图1所示。

图1 全桥结构三维有限元模型

图4 桥墩内力减隔震率图5 支座顺桥向位移对比图6 支座横桥向位移对比

对于铅芯橡胶支座的模拟，根据不同的分析目的可采用不同的方法[6]。当进行多振型反应谱分析时，由于反应谱法是一种线性的计算分析方法，无法考虑铅芯橡胶支座的非线性特性，因此可根据其等效刚度及等效阻尼比采用线弹性弹簧单元模拟，其等效刚度及等效阻尼比可通过迭代的方法求得，迭代过程如图2所示。而当进行非线性时程分析时，一般可采用双线性恢复力模型或修正的双线性恢复力模型进行模拟，本次计算采用的铅芯橡胶支座的恢复力模型如图3所示，其主要参数屈服前刚度k1、屈服强度QY、屈服后刚度k2根据厂家提供的参数确定。

图2 铅芯橡胶支座迭代过程

图3 铅芯橡胶支座恢复力模型

3 E1地震作用多振型反应谱分析

根据设计资料及《公路桥梁抗震细则》确定本次计算的E1设计反应谱参数，其中抗震重要性系数为0.43，场地系数为1.0，设计基本地震动加速度峰值为0.4g。利用前述计算模型及铅芯橡胶支座等效刚度、等效阻尼比迭代方法确定本次计算中的弹性连接单元刚度为1 365 kN/m，阻尼比为0.156。由于该桥为曲线桥，需分别沿相邻两桥墩连线方向和垂直连线水平方向进行多方向地震输入，以确定最不利地震输入方向，因此本次共计算了4种工况的地震动输入，同时为了使各方向的振型参与质量达到90%以上，计算中考虑结构前60阶振型参与组合。利用SRSS法进行方向组合，CQC法进行振型组合，最终计算得到了桥梁结构在设计E1地震作用下的最大响应，将计算结果与未隔震结构的计算结果进行比较，并用减隔震率来表示减隔震效果，减隔震率表示为：(非减隔震结果-减隔震结果)/非减隔震结果[7]。桥墩内力响应的减隔震率如图4所示，支座顺桥向位移及横桥向位移对比结果分别如图5和图6所示。

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从图9～图11可知，在E2地震作用下隔震结构的各桥墩内力较未隔震结构的各桥墩内力均有大幅减小，其中波形1作用下最大减小57.3%，波形2作用下最大减小57.5%，波形3作用下最大减小67.4%。5号桥墩为各桥墩中内力减小幅度最大的，而2、3号桥墩的内力减小幅度相对较小。从图12和图13可以看出，桥墩墩顶的顺桥向和横桥向位移在隔震后均有所减小，隔震前3条地震波作用下墩顶的顺桥向最大位移分别为344.5、321.3、384.5 mm，横桥向最大位移分别为193.1、213.9、205.0 mm，而隔震后3条地震波作用下墩顶的顺桥向最大位移分别减为189.2、211.0、188.8 mm，横桥向最大位移分别减为107.5、107.7、102.3 mm。

4 E2地震作用非线性时程分析

根据《公路桥梁抗震设计细则》，在进行时程分析时，为考虑地震动的随机性，需采用不少于3组的设计加速度时程，且应保证任意两组间同方向时程的相关系数的绝对值小于0.1，经过比较地震安评部门提供的3条人工波，经过对人工波拟合得到的反应谱与E2设计反应谱的对比，确定该3条波可以作为E2地震作用计算的地震动时程，各地震动时程曲线如图7所示，拟合反应谱与设计反应谱曲线如图8所示。铅芯橡胶支座的滞回耗能特性利用前述双线性恢复力模型模拟[8]。由于在使用非线性时程分析法时，叠加原理已不再适用，因此计算时需同时输入各方向的加速度分量。利用以上模型并采用直接积分法计算得到桥梁结构在3条地震波作用下的结构最大响应，并将计算结果与未隔震结构的计算结果进行比较，得到各桥墩内力的减隔震效果以及墩顶位移的对比情况，桥墩内力的减隔震率如图9～图11所示，墩顶位移对比如图12～图13所示。

图7 E2地震作用加速度时程曲线

图8 拟合反应谱曲线与设计反应谱曲线

图9 波形1桥墩内力减隔震率

图10 波形2桥墩内力减隔震率

图11 波形3桥墩内力减隔震率

图12 墩顶顺桥向位移对比

图13 墩顶横桥向位移对比

从图4可以看出，E1地震作用下隔震后桥梁结构各桥墩的内力响应较未隔震结构的内力均有不同程度的减小，其中减小幅度最大的为5号桥墩，其顺桥向、横桥向的弯矩和剪力均减小了50%以上。从图5和图6可知，由于支座刚度减小，隔震后桥梁结构支座位移较未隔震结构的支座位移均有所增加。其中隔震后顺桥向最大位移为39.2 mm，横桥向最大位移为33.4 mm，而未隔震的顺桥向最大位移为31.9 mm，横桥向最大位移为20.8 mm。

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5 结论

通过前述计算分析可知，在E1和E2地震作用下采用铅芯橡胶支座隔震的桥梁内力响应较未隔震桥梁均有大幅减小。E1地震作用下桥墩的内力最大减幅为55.2%，但支座变形有所增加。在3组E2地震时程波作用下的桥墩内力最大减幅分别为57.3%、57.5%、67.4%，桥墩墩顶位移也有不同程度的减小。因此，对于高烈度震区的桥梁，合理的减隔震设计可以使结构的地震内力响应明显减小，从而可提高结构的抗震安全性，实现桥梁的抗震性能目标。但由于隔震支座的影响，支座位移量有所增大，设计中需特别注意主梁位移的控制，防止支座滑脱造成落梁。

[1] 中华人民共和国交通部.JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008．

[2] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1996．

[3] 贾明晓，章小檀，王君杰，等.桥梁延性与减隔震设计方法应用研究[J].公路工程，2008，33(4):29-33．

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[5] 李贞新，刘高.基于减隔震设计的大跨度连续梁桥抗震性能评价[J].公路，2011(1):140-143．

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[8] 彭刚辉，骆鹏.铅芯橡胶支座在高烈度山区简支梁桥中的减隔震研究[J].广东公路交通，2013(6):25-28．

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[11]杜修力，韩强，刘文光，等.方形多铅芯橡胶支座力学性能研究 [J].地震工程与工程振动，2006，26(2):125-130．

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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

罗鹏军(1988—)，男，助理工程师，工学硕士，E-mail：pjluo1988@126.com。

1004-2954(2015)10-0073-03

U442.5+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.017