采用高阻尼橡胶支座与普通盆式支座的连续梁桥地震响应对比分析
时间：2022-10-09 04:27:53
【前言】采用高阻尼橡胶支座与普通盆式支座的连续梁桥地震响应对比分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。桥梁结构的安全性十分重要，若采用完全由结构抗震型设计，桥墩及结构尺寸则会很大、配筋增多，这不仅会极大地影响结构的经济性，还势必会影响到整个桥梁的美学造型和净空要求。因此，桥梁迫切需要采用结构控制技术，通过应用隔震效果好、尺寸较小的减隔震装置（支座）...
摘要：以一座三跨连续梁桥为例，分析了分别采用高阻尼橡胶支座与普通盆式支座的桥梁结构在E2地震作用下的地震响应。对桥梁结构的自振周期及桥墩墩底内力进行对比，结果表明，采用高阻尼橡胶支座使得桥梁结构自振周期延长，增加耗能时间，减震效果明显。
中图分类号：TB21文献标识码：A
一 概述
地震反应分析早期主要采用简化的静力法，20世纪50年代后发展为动力法的弹性反应谱理论，20世纪60 年代后随着计算机技术的迅速发展，则对重要结构开始进行地震时程反应分析[4]。
桥梁结构的安全性十分重要，若采用完全由结构抗震型设计，桥墩及结构尺寸则会很大、配筋增多，这不仅会极大地影响结构的经济性，还势必会影响到整个桥梁的美学造型和净空要求。因此，桥梁迫切需要采用结构控制技术，通过应用隔震效果好、尺寸较小的减隔震装置（支座）解决上述难题，实现结构的优化设计，确保工程项目的安全、适用、经济、美观。
二 工程概况
本工程桥梁为预应力混凝土连续箱梁，跨径组成为30+35+30m。桥型布置如图1所示。桥梁桥宽17.5m，桥面净宽16.5m。箱梁梁高1.8m，单箱三室，悬臂2.2m，横断面详见图2。桥面铺装采用8cmC50混凝土铺装层+9cm沥青混凝土铺装。0、3号台为三柱式台，柱距为5m。1～2号桥墩为中墩，三柱式墩，桩接柱，柱距5m，1#墩柱高7.5m，2#墩柱高8.5m，柱径为1.6m，桩径1.8m。
工程所在位置地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度为Ⅷ度，反应谱特征周期0.4s。桥梁属B类桥梁，需按提高一级抗震设防。此外，拟建场地地形起伏较大，地貌较为复杂，处于8度地震区。
图1 桥型布置图
图2 横断面构造图
三 结构计算参数确定
根据本工程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[3]，B类桥梁E2地震下抗震重要性系数取1.7[1]。计算采用的地震动时程如图3所示。
图3 E2地震X、Y方向加速度时程
结构的约束条件为：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。
全桥单元采用梁单元模型，1#、2#墩顶采用HDR 固定型支座，0#、3#台顶采用HDR滑板型支座，支座恢复力力学模型[2]详见图4～图5，参数详见表1。
图4 HDR-G固定型支座恢复力模型 图5 HDR-H滑板型支座恢复力模型
其中，K1 为屈服前刚度，K2 为屈服后刚度，Sy 为屈服位移量，Sd 为设计阻尼位移，Fy 为屈服力，Fd 为设计阻尼力；K0 为屈服前刚度，X0y 为屈服位移，F0y 为滑动摩擦力。
表1 HDR高阻尼隔震橡胶支座计算参数
支座型号 屈服力(KN) 屈服位移(mm) K1(KN/mm) K2(KN/mm) 阻尼比
HDR-H-滑动 61.8 9.3 6.63 / 0
HDR-G-固定 496.4 54.1 9.18 2.62 15%
四 结构效应分析
1、根据建立的动力计算模型，采用子空间迭代法分别求解桥梁结构动力特性。成桥阶段前8阶结构自振周期，详见表2。
表2 自振周期对比
阶次 1 2 3 4 5 6 7 8
普通支座周期(s) 2.02 0.40 0.32 0.24 0.23 0.19 0.17 0.15
HDR支座周期(s) 2.72 2.16 1.87 0.30 0.25 0.22 0.20 0.19
从上表可知，采用高阻尼橡胶支座可增大结构自振周期、减小自振频率，从而增加结构耗能时间。
2、E2地震水准下普通支座桥梁地震动力时程分析墩底弯矩和HDR隔震桥梁地震动力时程分析墩底弯矩对比如表3所示。
表3 墩底弯矩对比
墩号 顺桥向弯矩(KN·m) 横桥向弯矩(KN·m)
普通支座 HDR支座 减震率 普通支座 HDR支座 减震率
1#墩 1#柱 10922 4552 58% 1820 4856 -167%
2#柱 10766 4565 58% 8052 4890 39%
3#柱 10595 4560 57% 1820 4860 -167%
2#墩 1#柱 1022 3552 -248% 1050 3420 -226%
2#柱 1045 3546 -239% 12230 3480 72%
3#柱 1032 3556 -245% 1060 3435 -224%
从上表可知，采用普通盆式支座时：1#墩设置固定/单向支座，0#、2#、3#墩台设置单向/双向活动支座。设置固定支座的1#墩承受的纵向地震力产生的弯矩特别大。在E2水准地震作用下，1#墩底最大顺桥向弯矩是2#墩底承受的10.7倍。2#墩墩底顺桥向内力减震率为负，是因为非隔震状态下， 2#墩顺桥向设置活动支座，E2 地震下所受的水平力为滑动摩擦力，而采用HDR支座隔震状态下，全桥协同抗震， 2#墩墩底顺桥向内力虽然会大一些，但整体地震力水平较低。
采用高阻尼隔震支座时：与非隔震普通盆式支座状态进行墩底受力相比，减震效果明显，墩底顺桥向弯矩最大减震58%，墩底横桥向弯矩最大减震72%。
五 结论
(1)高阻尼隔震橡胶支座在桥梁上部结构与下部结构设置隔震层，可有效改善结构在地震力作用下的受力状态。
(2)采用非隔震支座时，对于设置固定支座的桥墩，在地震力的作用下，将承受巨大的内力作用。
(3)通过隔震支座滞回耗能有效地减少了桥墩承受的弯矩和剪力，降低了墩顶纵横向位移，取得了优异的减隔震效果。
(4)通过合理的减隔震设计，使得每个桥墩纵向和横向承受的地震力较均匀，由原结构的单墩抗震演变为全桥桥墩共同抗震，从而保证了桥梁结构抗震安全。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准.城市桥梁抗震设计规范（CJJ 166-2011）北京:中国建筑工业出版社,2011
[2] 中华人民共和国交通运输行业标准.公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座（JT/T 842-2012）北京:交通运输部,2012
[3] 王亚勇，程民宪等.结构抗震时程分析法输入地震记录的选择方法及其应用.建筑结构，1992(5)：3～7
[4] 范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M] 北京:人民交通出版社,2001
