墩身隔震位置对连续梁桥地震响应的影响

李 易 叶 明

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056)

减隔震设计一直是桥梁设计中的重要组成部分，通过安装桥梁减隔震装置使桥梁结构在地震时避免产生或者减少相对位移，以此保证桥梁稳定，同时通过减隔震装置的阻尼器减轻地震作用力对桥梁结构产生的危害，从而降低桥梁后期的养护费用、保证桥梁使用寿命[1]。

1 桥梁工程中的隔震设计要点

1.1 隔震原理

结构对地震作用的响应存在2个规律：地震动频率虽复杂，但地震能量相对集中于一个频率范围内；地震反应随结构阻尼增大而减小，利用结构阻尼可以起到耗能减震的作用。

隔震技术正是建立在这2个规律基础之上，其通过引入刚度较小的装置，调整结构的自掁周期，采用阻尼原件耗散地震能量，限制结构位移。隔震装置的能量关系式为

E=EK+EC+EP+ED

式中：EK为结构的相对动能；EC为主体结构阻尼衰减能量；ED为耗能装置耗散能量；EP为结构变形势能；E为地震输入总能量[2]。

1.2 设计原则

作为提高桥梁结构抗震性能的要求，必须遵循以下原则：①应对桥梁现场所在地进行实地考察，确定桥梁使用时间的增长是否有利于桥梁抗震能量吸收；②进行桥梁隔震设计时，采用的隔震装置，不但应具有良好的耗能能力及塑性变形能力，使桥梁结构周期延长和阻尼增加，避免在地震时发生共振，还应具有满足要求的强度和刚度，能够承受上部结构传来的竖向和水平荷载；③地震结束以后，隔震装置须便于维修更换，并且养护成本须在可控的范围内；④抗震设计之前，要确保桥梁地基基础坚实，地质条件等环境因素满足抗震要求。

1.3 分析方法

常用的桥梁隔震分析方法中，动力时程分析法应用较为普遍。它是将地震动输入在时间上离散化，分散成相等的时间步长，在每一个时间步长内计算结构的加速度、速度和位移之间的关系。数值积分是将微分方程转化为便于计算的代数方程，此过程常用的积分形式为New mark-β法。桥梁结构的时程动力分析一般是通过有限元计算实现的，有限元分析是对真实的物理结构及其环境的数值模拟，一般分为结构离散化、依据单元节点的约束条件进行的单元分析、集合单元刚度矩阵进行结构整体分析，以及求解得出整体结构的响应4个步骤。

2 工程实例

2.1 概况

以一连续梁桥为计算案例，主跨跨径采用25 m+35 m+25 m[3]，两侧假定为桥台，梁体采用单箱双室为梁体，实心矩形截面薄壁墩，2、3号桥墩墩高12 m，全桥支座选择铅芯橡胶支座。为分析不同隔震位置的模型对桥梁抗震性能的影响，对2号桥墩进行对比计算，本文共设置8个单一计算模型，并将所有的计算模型从1到8进行统一编号，计算案例模型图见图1。其中模型1为传统隔震方式设计，2号墩为一连续整体，隔震支座设置在梁墩之间，即传统模型；模型2～8分别为沿2号墩身高度方向等间距设置的7个不同位置高度的隔震模型，梁和墩采用固结的方式，隔震装置设置在编号处，不同隔震高度的连续梁计算模型图见图2。

图1 计算案例模型

图2 不同隔震高度的连续梁计算模型

2.2 隔震装置变形特性

结合实际工程的运用情况，计算模型中的隔震装置与实际工程保持一致，拟定采用LRB600铅芯橡胶支座，其滞回曲线采用较为普遍认可的等价线性梭形[4]，图形成反对称形态，隔震装置的滞回曲线模型见图3。其中k1为隔震装置的初始刚度；k2为隔震装置的二次刚度；Qy为隔震装置的屈服荷载，kPa；ke为隔震装置的卸载刚度。

图3 隔震装置的滞回曲线模型

本文所选输入地震波为El-centrol(1940，N-S)，持续时间30 s，调整其幅值为0.15，水平和竖向采用调幅后的真实地震记录，El-centrol(1940，N-S)地震波见图4。为更准确地描述2号桥墩截面当中的非线性地震反应，采用有限元软件UCfyber展开计算。

图4 El-centrol(1940，N-S)地震波

2.3 结果比较分析

将El-centrol波输入8个模型，运用New mark-β法求解，将2号墩墩顶梁体、墩底及墩顶，以及3号墩墩底及梁体处截面作为计算截面，求出该截面处在遇到El-centrol波状态时的最大弯矩，同时得出1～4号桥台(桥墩)支座处位移值，计算截面处最大弯矩图及支座处位移图见图5、图6。

图5 计算截面处最大弯矩

图6 支座处位移

由图5、图6可知:

1) 模型1(传统模型)的桥墩墩底截面处弯矩值最大，墩底截面较整个桥墩墩身会最早出现屈服；模型4、5将隔震装置布置在墩身中部，较模型1墩底处最大弯矩值均大幅度降低，但2号墩墩顶及墩顶梁体最大弯矩也显著升高，不利于桥梁结构受力，3号墩墩底截面最大弯矩变化不大。模型2将隔震装置布置在墩身中上部，2、3号桥墩墩底截面弯矩有一定程度降低，其余描述部位最大弯矩升高不明显，可一定程度改善桥梁结构内力分布。

2) 8种计算模型中两侧桥台支座处的位移值曲线接近重叠，位移值相近。

3) 1～4桥墩(台)支座处位移随计算模型的变化而发生变化，在模型5中，将隔震装置布置在墩身中部，各桥台(墩)支座处位移值最小，但此时所述桥梁结构受力不利；在模型2中，即将隔震装置布置在墩身中上部，各桥台(墩)支座处位移值也一定程度降低，出现了位移极值，一定程度上改善了桥梁结构的位移特性。

3 可靠性

由于地震动是随机的，1条地震波往往被认为是地震动的1次抽样。为使隔震支座的新型布设方案更加可靠，以Sanfer-h波作为激励，与El-centrol波算出的结果互相校核。对2条地震波产生的地震响应在模型1、2中展开比较，支座位移比对表及墩底弯矩对比表见表1、表2。

表1 支座位移比对

2号桥墩支座处位移值，虽然在模型2中有扩大趋势，不过支位移变形形变仍然处于一个容许范围内，3号桥墩支座处及两侧桥台支座处位移值也都出现了一定程度的降低，计算结果与El-centrol波算出的结果基本一致，可认为结果较为可靠。

表2 墩底弯矩对比

因2种激励方法各有不同的频谱特性，实现的隔震效果也有区别。总体表现为2、3号桥墩墩底弯矩值模型2稍小于模型1，隔震耗能效果一般，但计算结果与采用El-centrol波算出的结果也基本一致，可认为结果可靠。

4 结论

1) 模型1(传统模型)在地震波El-centrol的影响下，桥墩墩底截面处弯矩值最大，易从墩底最早开始出现屈服；而将隔震装置布置在墩身中部，如4、5号模型处，桥墩墩底截面处弯矩最大值大幅度降低，但墩顶及墩顶梁体处弯矩亦相应增加，不利于桥梁结构受力；将隔震装置布置在墩身中上部，如2号模型处，桥墩墩底截面弯矩有一定程度的降低，其余描述部位最大弯矩升高不明显，可一定程度改善桥梁结构内力分布，此结论可为桥梁隔震设计提供的一种新思路，但隔震装置的强度和刚度必须满足要求。

2) 对于此计算案例来讲，各种计算模型的两侧桥台支座处位移值较为接近，说明墩身隔震位置的变化对两侧桥台影响基本一致。

3) 在模型2中，即将隔震装置布置在2号墩墩身中上部，各桥台(墩)支座处位移值一定程度降低，出现了位移极小值，一定程度上改善了桥梁结构的位移特性，进一步验证了在桥墩墩身中上部设置隔震装置的抗震优越性。

4) 地震波虽然具有随机性，但通过采用Sanfer-h激励波对模型1、2条件下的墩底弯矩及各桥墩台支座处位移值的计算校核可得，其计算结果与El-centrol波算出的结果基本一致，结果可靠。