多跨连续箱梁桥三种支座减隔震性能对比研究

贾 帅

(山西省长治市公路勘察设计院， 山西 长治 046000)

多跨连续箱梁桥三种支座减隔震性能对比研究

贾 帅

(山西省长治市公路勘察设计院， 山西 长治 046000)

为了对比多跨连续箱梁桥采用3种不同支座的减隔震性能，以一座变截面预应力混凝土10跨连续箱梁为工程实例，分别建立盆式橡胶支座、板式橡胶支座和铅芯橡胶支座等3种支座类型的连续箱梁有限元分析模型，比较了3种支座设计下的连续箱梁桥结构动力特性，并进行了3条典型地震波作用下的非线性时程分析。研究结果表明，铅芯橡胶减隔震支座设计的桥梁，相比另外2种支座设计的桥梁能够延长结构周期；板式橡胶支座和铅芯橡胶支座都具有明显的减震效果，并且铅芯橡胶支座的减震效果要优于板式橡胶支座；选用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座要考虑场地类型，采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座在减小墩顶位移同时有可能会增大梁体位移，此时上部结构应该设置防落梁措施。本文的对比分析结果可为相关桥梁的支座设计提供参考。

桥梁工程； 连续箱梁； 铅芯橡胶支座； 动力特性； 减震率

0 引言

在桥梁结构中应用减隔震技术，可以显著提高结构在遭遇地震时的安全性，减轻结构破坏。在桥梁中采用减隔震支座可以延长结构自振周期和耗散地震能量，从而减轻地震对下部结构的作用。近年来减隔震支座得到了广泛的研究[1-3]。刘健新等人通过计算统计分析，确定了在Ⅰ、Ⅱ类场地土地基条件下可供新建或旧桥改造采用减震设计时选择铅销橡胶支座使用的标准规格[4]。张骏等人分析表明铅芯橡胶支座可以有效地降低结构的位移和内力响应，改善结构的抗震性能[5]。魏红一等人研究表明采用铅芯橡胶隔震技术后，在近场地震作用下，减震效果仍有效[6]。郭磊等人研究表明在固定墩上采用活动盆式支座与弹塑性减震耗能装置并联，能够有效地减小固定墩所受的地震力，改善结构的抗震性能[7]。

本文以一座变截面预应力混凝土10跨连续箱梁为工程实例，考虑了盆式橡胶支座、板式橡胶支座和铅芯橡胶支座3种支座型式，分别建立3种支座类型的连续箱梁有限元分析模型，比较了3种支座设计下的连续箱梁桥结构动力特性，并进行了3种支座连续箱梁桥在3条典型地震波作用下的非线性时程分析，对比研究了3种支座的桥梁抗震性能。

1 减隔振计算基本理论

桥梁结构施加柔性装置会延长结构基本周期，以避开地震能量集中的周期范围，从而降低结构的地震力；但是通过延长结构周期来减小地震力，必然伴随着结构位移增大，也可能会造成结构设计上的困难。为了控制过大的变形，可通过在结构中引入阻尼装置，以增加结构的阻尼来耗散输入的地震能量，从而减小结构的位移，同时还可以减小结构的动力加速度[8]。

一致地震输入下，多质点体系的地震振动方程如式(1)所示，即：

(1)

可见，桥梁结构的地震反应与地面运动的加速度、结构的质量(及分布)、阻尼和刚度有关。一般不易改变桥梁结构质量及其分布，但利用结构自身延性或在桥梁中设置减震装置改变桥梁结构的阻尼、刚度，则会改变桥梁结构自身的动力特性、振动形态或使桥梁上、下部结构之间、桥梁与地基之间产生动力互相干涉，减小地震作用，从而达到桥梁结构减震的目的[10]。

强震作用下，减隔震支座或桥墩将会进入非线性变形阶段，此时考虑结构的非线性特性，采用Wilson-θ法求解运动增量方程，则上述方程一般写成增量形式：

(2)

2 工程概况

某大桥为10跨的变截面预应力混凝土连续箱梁，跨径布置型式为(40+8×80+40)m，主桥桥墩采用实体式桥墩，下接承台，承台下设置群桩基础，主桥桥型布置见图1。

大桥主墩墩身左右分幅设置，为六边形实心结构。墩身顺桥向宽度为3 m。墩顶设置一定类型的支座，因为本文对比分析3种支座的抗震性能，分别取盆式橡胶支座、板式橡胶支座和铅芯橡胶支座。主墩承台尺寸为12 m×11 m×4 m。承台基础布设8根Φ1.8 m桩基。

图1 桥型布置图

3 有限元分析模型

3.1 大桥有限元模型

采用有限元分析软件建立全桥空间有限元模型，主梁和桥墩均采用三维梁单元，横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量。大桥约束条件为：采用表征土介质弹性值的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。桥梁地震动力分析有限元模型如图2所示，坐标系取顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。简化模型见图3。

桥梁结构地震时程分析时，按瑞利阻尼模型选取结构阻尼，计算瑞利阻尼的第1阶振型为结构的基本振型，第2阶振型取有效质量率最大的振型。

图2 大桥有限元模型

图3 有限元计算简化模型

3.2 3种支座模型参数取值

3.2.1 非隔震普通盆式橡胶支座(支座模型1)

6号墩设置GD/DX盆式支座，其他墩设置DX/SX 盆式支座，均为采用普通抗震类型的盆式橡胶支座。表1给出了普通盆式橡胶支座的刚度取值，其中U1、U2、U3分别为竖桥向、顺桥向与横桥向，R1、R2、R3分别为绕竖桥向转动、绕顺桥向转动和绕横桥向转动。

表1 普通盆式橡胶支座刚度类型U1/(kN·m-1)U2/(kN·m-1)U3(kN·m-1)固定支座GD1×1081×1081×108顺桥向单向活动支座DX1×10801×108横桥向单向活动支座DX1×1081×1080双向活动支座SX1×10800R1/(kN·m·rad-1)R2/(kN·m·rad-1)R3/(kN·m·rad-1)000000000000

3.2.2 板式橡胶支座(支座模型2)

板式橡胶支座主要是靠增加结构柔性，延长结构周期来达到减震的效果，但其减小桥墩地震荷载的同时，也增加了梁体与墩台之间的相对位移。大量实验结果表明，板式橡胶支座的滞回曲线呈狭长形，可近似作线性处理[11]，地震反应中的恢复力模型可取为直线形，即：

F(x)=K×x

(3)

3.2.3 铅芯橡胶减隔震支座(支座模型3)

铅芯具有良好的力学特性，其屈服剪力较低，约为10 MPa，初始剪切刚度较高，约为130 MPa，具有很好的塑性循环耐疲劳性能。由铅芯和分层橡胶结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置应具备的要求：在较低水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形较小；在地震作用下，铅芯屈服，刚度降低，延长结构周期，并消耗地震能量。

铅芯橡胶支座(LRB)采用Park等人于1986年提出的双向恢复力-位移滞回理论模型。用两个正交水平非线性弹簧来模拟铅芯橡胶支座的双向工作性状，并采用屈服前刚度K1、屈服后刚度K2和屈服强度Q作为铅芯橡胶支座的力学控制参数，将非线性模型简化为双线性模型进行分析计算。实际计算时，假定铅芯橡胶支座的滞回性能符合双线性模型，且支座在两个正交方向的恢复力模型相同。

该大桥主桥所有桥墩采用型号J4Q — 1220×1220×392-G0.8铅芯橡胶支座减隔震支座，表2给出了本桥选用的铅芯橡胶支座的特征参数值。

表2 铅芯橡胶支座力学参数支座型号承载力/kN铅芯屈服力/kN剪切弹量G/MPaJ4Q-1220×1220×392-G081200077108屈服前刚度/(kN·mm-1)屈服后刚度/(kN·mm-1)水平等效刚度KBm/(kN·mm-1)等效阻尼比hBm/%1762743204

4 3种支座的桥梁结构动力特性对比

对3种支座的连续箱梁有限元模型进行了动力特性分析，表3对比了3种支座的桥梁有限元模型前10阶模态的动力特性，图4对比了3种支座桥梁前10阶模态的周期。对比三者动力特性发现： ①采用普通盆式橡胶支座的桥梁，一阶基频为纵飘+6号墩顺桥向弯曲，二阶模态为正对称侧弯振型；而另外2种支座的桥梁，一阶基频表现为正对称侧弯，二阶振型才为纵飘。 ②采用铅芯橡胶减

表3 3种支座的桥梁有限元模型前10阶模态动力特性支座模型阶数频率/Hz周期/s振型描述普通盆式橡胶支座︵模型1︶101765695纵飘+6号墩顺桥向弯曲204872054一阶正对称侧弯304942023一阶反对称竖弯405281893一阶反对称侧弯505831715一阶正对称竖弯607221386二阶正对称侧弯707401352二阶反对称竖弯809551047二阶正对称竖弯912470802二阶反对称侧弯1016020624三阶正对称竖弯板式橡胶支座︵模型2︶101735768一阶正对称侧弯201825499纵飘301845436一阶反对称侧弯402094781二阶正对称侧弯503123209三阶正对称侧弯605841712一阶正对称竖弯709451058二阶竖弯815000667三阶竖弯918820531竖弯+4号和9号墩顺桥向弯曲1022280449四阶正对称侧弯铅芯橡胶减隔震支座︵模型3︶101586323一阶正对称侧弯201666037纵飘301695922一阶反对称侧弯401935196二阶正对称侧弯502983360三阶正对称侧弯605821717一阶正对称竖弯709191088二阶竖弯814040712三阶竖弯920130497竖弯+4号和9号墩顺桥向弯曲1023130432四阶正对称侧弯

图4 3种支座的桥梁有限元模型周期对比

隔震支座设计的桥梁，相比另外2种支座设计的桥梁的结构周期延长，同时由于两个平动方向上采用的是非线性滞回曲线，结构侧向刚度较小，以侧弯方向振型为主。

5 多跨连续箱梁3种支座的抗震性能对比

5.1 地震动时程

在结构地震反应时程分析中，选择输入的地震波是一个很重要的问题。当选择地震波时，应该考虑地震动强度，地震动谱特性，地震动持续时间等3个关键要素[3]。

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)和《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2001)该桥梁属于B类桥梁，基本地震动峰值加速度为0.20g，特征周期0.40 s，Ⅱ类场地，场地系数为1.0，E1地震抗震重要性系数为0.5，E2地震抗震重要性系数为1.7。根据该桥梁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，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波，计算采用的地震动时程如图5所示。

图5 3种地震波

5.2 3种支座模型的内力响应对比

计算了地震波1作用下3种支座模型的连续箱梁内力响应，表4和表5分别给出了3种支座模型的各个桥墩墩底剪力与弯矩对比，为直观显示出3种支座模型的差别，图6和图7分别给出了各个桥墩墩底剪力与弯矩对比图。由计算结果可知：

1) 支座模型1中，设置GD固定支座的P6#墩承受的顺桥向地震力特别大，在E2水准地震作用下，6号墩底最大顺桥向弯矩是5号墩底承受的66倍，如果只是采用弹性抗震设计，6号墩最容易出现破坏。3种模型中桥墩所受横桥向地震力相对较为均匀。

表4 3种模型墩底剪力对比表类别墩号墩底剪力/kN减震率/%支座模型1支座模型2支座模型3模型2较模型1模型3较模型1顺桥向1235441521731780482532256122461130717769410333554215661457850683102461222068723119237927765540821210196602922263661966532134718763-891-9057529721295191063020260785125213911828531742568964362056222403219524811029932247513329650934531127440742075138466563横桥向1960633591904-650-8022701551629710559-768-8493834292194016054-737-8084800242336823153-708-7115874142445220460-720-7666743182559819459-656-7387773192436220069-685-7408990912358921156-762-7869793482193821800-724-72510603861668211473-724-810111144532501982-716-827

表5 3种模型墩底弯矩对比表类别墩号墩底弯矩/(kN·m)减震率/%支座模型1支座模型2支座模型3模型2较模型1模型3较模型1顺桥向110103968718411382781722121205319332798273150407153321637251668139925106315467456854367625281227546639465432133229292159396473399762855824310311201811-891-929741255315862207681665640348383583046311955136942409796144637594428120451183576101494121370010966913303634011138143011203503013813732横桥向131416108425839-655-814290890721749798812-761-89131347297363939196254-730-85441794878508601344541-717-80851750525478158279893-727-84061494308489426256502-672-82871574174468181266840-703-83081891337451053288603-762-84791806896483638310798-732-82810821877241277118108-706-8561145586128747435-718-837

2) 在E2水准地震作用下，减震率方面，支座模型3较支座模型1顺桥向剪力减震率达到90%，支座模型3较支座模型1顺桥向弯矩减震率达到93%，由于内力大小随结构刚度分配，支座模型2和支座模型3中6号墩刚度降低，必然会导致其他桥墩所受内力有所增加；支座模型2和支座模型3较支座模型1横桥向剪力和弯矩减震率均较高，基本达到70%以上。

3) 支座模型2和支座模型3中桥墩的受力比较均匀，两种支座都具有明显的减震效果，都能大幅度减小各墩墩底剪力及墩底弯矩，使得各墩所受地震力重新合理分配，各墩受力趋于平衡，并且铅芯橡胶支座的减震效果要优于板式橡胶支座。

图6 3种模型墩底剪力对比

图7 3种模型墩底弯矩对比

5.3 3种支座模型的位移响应对比

因为6号桥墩内力最大，所以选取6号墩顶和对应主梁梁体，在对应3个支座模型在3条地震波下，考察支座的减震效果，对比分析结果见表6，由表6可知：

1) 第1条地震波计算结果显示，采用铅芯橡胶支座反而是增大了墩顶位移和梁体位移，这是因为结构基频与第1条地震波地震动的卓越周期较为接近，设计采用支座模型3容易引起结构的共振，遇到这类地震动场地，要慎重选用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座。

2) 由于结构基频均远小于第2条和第3地震波地震动的卓越周期，所以当桥梁采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座都能够减小墩顶位移，但是会增大梁体的位移，上部结构可能发生位移过大导致落梁破坏，遇到这类地震动场地，上部应设置防落梁措施。总体上来说，要针对场地土的特性来选用板式橡胶支座或者铅芯橡胶支座。

表6 3条地震波作用下3种模型的6号墩梁位移对比地震波墩(梁)位移/m墩顶位移/m墩顶位移减震率/%梁体位移/m梁体位移减震率/%模型1模型2模型3模型2较模型1模型3较模型1模型2模型3模型2较模型1模型3较模型1113947143911453932421387815019-05772021370156501625-268-240022310205044-413003970036800383-73-3500413004104033

6 结论

本文采用有限元分析方法对一座10跨连续箱梁桥进行了3种支座的抗震性能分析，得到的结论如下：

1) 普通盆式橡胶支座的桥梁与板式橡胶支座和铅芯橡胶支座桥梁的模态振型存在较大不同，板式橡胶支座和铅芯橡胶支座的桥梁结构侧向刚度较小，以侧弯振型为主，采用铅芯橡胶减隔震支座设计的桥梁，相比另外2种支座设计的桥梁能够延长结构周期。

2) 在地震力作用下，板式橡胶支座和铅芯橡胶支座的桥梁桥墩的受力比较均匀，2种支座都具有明显的减震效果，都能大幅度减小各墩墩底剪力及墩底弯矩，使得各墩所受地震力重新合理分配，各墩受力趋于平衡，并且铅芯橡胶支座的减震效果要优于板式橡胶支座。

3) 铅芯橡胶支座对地震波周期较敏感，当结构基频与地震动的卓越周期较为接近时，铅芯橡胶支座的减震效果基本丧失，而且会加大结构的地震响应，遇到此类地震动场地，要慎重选用铅芯橡胶支座。当结构基频远离地震动卓越周期时，桥梁采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座都能够减小墩顶位移，但是有可能会增大梁体位移，上部结构可能发生位移过大导致落梁破坏，遇到这类地震动场地，上部结构设计应该设置防落梁装置和防撞挡块，确保结构的安全。

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1008-844X(2016)04-0093-06

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