减隔震支座对曲线梁桥抗震性能影响的研究

林永楷

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安　710068）



减隔震支座对曲线梁桥抗震性能影响的研究

林永楷

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710068）

摘要：以西安市某立交曲线桥为工程背景，在以往学者研究的基础上，总结了桥梁常用减隔震装置的力学特点和数值模拟方法，并运用非线性时程分析方法，研究减隔震橡胶支座对曲线桥结构内力和位移响应的影响，分析比较了普通支座与几种常用减隔震支座的抗震性能，为桥梁减隔震设计提供参考。

关键词：减隔震支座，曲线梁桥，时程分析，结构内力，位移响应

0　引言

减隔震技术作为一种抗震方法，自20世纪70年代以来，已受到桥梁结构工程师们的广泛关注，并已大量应用于桥梁结构上。桥梁上常用的典型减隔震装置有板式橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦支座、液体粘滞阻尼器等。

一般来说，通过正确的“抗震”设计可以保证结构的安全，防止结构的倒塌，而结构构件的损伤是不可避免的。减隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段。通过选择适当的减隔震装置与设置位置，可以达到控制结构内力分布与大小的目的。本文将减隔震支座应用于曲线梁桥上进行分析研究，得出一些有益的结论，供工程建设参考。

1　桥梁减隔震的机理

减隔震技术主要利用结构地震反应的以下两个原理：一方面虽然地震动的频率成分非常复杂，但是地震能量一般集中在一个频率范围；另一方面，由于阻尼具有耗散振动系统能量的作用，结构的阻尼越大，结构的地震反应越小。

概括起来，减隔震技术的工作机理可分为三个方面：1）采用柔性支撑以延长结构振动周期，减小结构的地震反应；2）采用阻尼器式能量耗散元件，以限制结构位移；3）保证结构在正常使用荷载作用下有足够的刚度。

2　研究内容

与传统的采用普通支座的无隔震曲线梁桥相比，隔震曲线梁桥地震响应特性及分析过程有很大的差异［1-7］。由于减隔震支座的非线性，使得隔震曲线梁桥在设计阶段就不可避免地涉及到结构的非线性响应。考虑到曲线梁桥自身特性的影响，使得隔震曲线梁桥的地震响应异常复杂，并且是反应谱理论所无法解决的。因此，研究减隔震支座对曲线梁桥的线性、非线性和弹塑性动力反应的影响机理，成为现代曲线梁桥抗震体系发展亟需解决的问题。

3　工程实例

3.1工程概况

某立交辅道桥，位于西安市北郊，所研究联跨径布置为3× 25 m现浇预应力混凝土连续箱梁。本桥位于直线段和A = 149. 778，半径R =217. 8 m，A =149. 778右偏平曲线上及直线段。本文主要研究其中的第5联，其立面、平面和典型横断面如图1所示。

图1　桥梁示意图

项目抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0. 2g，设计特征周期Tg=0. 40 s；该桥场地地貌单元为渭河一级阶地，地势比较平坦，设计建筑场地类别为Ⅱ类。

3.2有限元模型

主梁、盖梁均采用弹性的空间梁单元模拟；潜在塑性铰区的墩柱采用纤维梁单元模拟，其余部位墩柱采用弹性空间梁单元模拟。盆式活动支座和盆式固定支座均采用双线性理想弹塑性弹簧单元模拟。本桥墩柱直径140 cm，保护层厚度5 cm，纵向受力钢筋环向等间距布置。约束混凝土划分成128个网格，保护层无约束混凝土划分成16个网格，每根钢筋一个网格，共计188个纤维网格。

3.3减隔震分析

1）支座模型选择及刚度计算。计算中采用如图2所示支座布置形式（括号外数字为非隔震支座（一般盆式支座）编号，括号内数字为高阻尼橡胶支座编号）。

图2　支座布置图

其中，Gd为板式橡胶支座的动剪切模量，一般取1 200 kN/m2；Ar为橡胶支座的剪切面积，m2；∑t为橡胶层的总厚度。

根据《公路桥梁板式橡胶支座规格系列2006》选取其GJZ，GYZ规格中的第31和71序号的规格参数，主要规格参数如表1所示。

a.非隔震支座（普通盆式支座）模型选择及刚度。普通盆式支座，作为一种硬抗型支座，其刚度选择可按以下方法选择：对于固定方向的水平刚度可以输入一个较大值，如1×107kN/m，对于活动方向的水平刚度可以简单的输入0 kN/m，也即该方向刚度为0。

b.一般板式橡胶支座模型选择及刚度。根据《城市桥梁抗震设计规范2011》在结构抗震分析时可采用线性弹簧单元模拟，其剪切刚度可按式（1）计算：

表1　板式橡胶支座参数

c.高阻尼橡胶支座恢复力模型选择及刚度。采取高阻尼橡胶支座形式的模型，其支座型号及刚度取值按《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座2012》以承载力为依据查取，最终选择序号为6及15的圆形支座规格，其采用双线性力学模型来模拟非线性特性。高阻尼橡胶支座的计算参数见表2。

表2　高阻尼橡胶支座刚度取值

2）地震波的选取与输入。为了较为准确的模拟地震全过程结构抗震性能评估，本文选取非线性动力时程分析方法，根据规范确定该桥抗震设计方法分类为A类，利用PGMD选取地震波，用于E2地震作用下的抗震计算，地震波输入方向本文采用的方法是输入角度从0°～180°以一定角度递增分析控制参数随着输入角度的变化规律，然后在分析不同的控制参数时，选取相应的最不利输入角度。

4　结果分析

4.1第一阶模态及墩底顺桥向最大弯矩对比

非隔震支座（普通盆式支座）与高阻尼隔震橡胶支座的第一阶模态及墩底顺桥向最大弯矩对比图见图3～图5。

由图3～图5可见，采用高阻尼隔震橡胶支座相对于采用非隔震支座避免了固定墩受力较大的状态，极大的耗散了地震能量，有效避免了强震作用下固定墩处的巨大弯矩，而不使固定墩墩底提前进入塑性状态发生弯曲破坏，大大降低震后的修复难度，且各中墩受力均匀，水平力分散效果好。

图3　第一阶模态（非隔震支座）

图4　第一阶模态（高阻尼橡胶支座）

图5　墩底顺桥向最大弯矩对比

4.2隔震率对比

1）高阻尼隔震橡胶支座与非隔震支座在E2地震下隔震率对比结果表明，采用高阻尼隔震橡胶支座相对于采用非隔震支座对固定墩有很好的隔震效果，纵横向墩底最大弯矩隔震率达到31%～50%，纵横向墩底最大剪力隔震率达到40%～71%，对于墩底最大剪力的隔震率更加显著，从而可以对桥墩不进行延性设计而达到很好的抗震效果，也大大的降低了地震破坏下的支座修复难度。

2）高阻尼隔震橡胶支座与一般板式橡胶支座在E2地震下隔震率对比结果表明，采用高阻尼隔震橡胶支座相对于采用一般板式橡胶支座对固定墩有较好的隔震效果，纵横向墩底最大弯矩隔震率达到20%～49%，纵横向墩底最大剪力隔震率达到20%～37%。

3）E2地震下分别采用两种支座（一般板式橡胶支座、高阻尼减隔震支座）计算在E2地震作用下的支座位移，其计算结果表明，在E2地震作用下两种不同型号支座的纵桥向与横桥向计算位移均超过了普通板式橡胶支座的容许位移，普通板式橡胶支座横桥向与顺桥向均不能满足E2地震下的位移与受力要求，且普通板式支座仅由摩擦力作用来与梁、墩进行有效连接，支座在地震下有可能滑移，破坏或失效，主梁在地震下的受力难以保证，主梁在地震下的位移会进一步增大，产生不可恢复的变形，易发生落梁。

对于高阻尼隔震支座，E2地震作用下不同型号支座的顺桥向与横桥向计算位移都小于高阻尼隔震橡胶支座的容许位移，且有较大富余，支座满足地震下位移和受力要求，且设计较为经济合理。

4）墩顶顺桥向、横桥向位移验算结果表明，E2地震作用下，非隔震支座状态与板式橡胶支座状态的固定墩墩顶顺桥向位移大于墩柱容许位移，不满足桥墩延性抗震要求，而只有高阻尼隔震支座状态固定墩与过渡墩墩顶顺桥向位移都小于墩柱容许位移，满足桥墩延性抗震要求，达到了隔震的效果。

关于墩顶横桥向位移验算，限于篇幅，本文不再展开。

5　结语

在现代交通网络中，由于用地空间、线形美观以及功能的要求，经常需要修建曲线桥梁，而且小半径曲线桥应用越来越广泛。本文通过工程实例，对曲线梁桥分别采用高阻尼隔震橡胶支座、非隔震支座及一般板式橡胶支座进行了分析对比，分析过程可供公路、铁路等领域作为设计参考。

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Study on seismic performance of curved prestressed concrete bridge with seismic isolation support

Lin Yongkai
（CCCC First Highway Consultants Co.，Ltd，Xi’an 710068，China）

Abstract：Taking Xi’an city some interchange auxiliary bridge as engineering background，on the basis of past research，the mechanical characteristics and numerical simulation method of the isolation device used for bridge are summarized，the effect of the nonlinear time history analysis method on the internal force and displacement response of the curved bridge is studied by using the nonlinear time history analysis method. Analysis the seismic performance of the general support and several common used to reduce the seismic isolation support，provide reference for bridge seismic isolation design.

Key words：seismic isolation support，curve beam bridge，time history analysis，structural internal force，displacement response

中图分类号：U441. 3

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0186-03

收稿日期：2016-01-18

作者简介：林永楷（1984-），男，工程师