E型鋼支座對鐵路簡支梁橋隔震效果研究

王月錢，鐘鐵毅，顧正偉，張常勇

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

橋梁一旦在地震中發生破壞，會造成巨大的經濟損失和社會損失。近年來，橋梁地震震害所帶來的教訓是深刻的[1]，特別是汶川地震和玉樹地震發生后，橋梁的抗震設計更加受到人們的廣泛關注。在橋梁抗震設計方法上，除了傳統的強度抗震設計外，減隔震技術在我國鐵路工程中也不乏應用實例。目前，國內外橋梁常用的減隔震支座有鉛芯橡膠支座、滑動摩擦支座和E型鋼阻尼支座等幾種類型，其中對鉛芯橡膠支座的研究相對較多，如吳彬、莊軍生對鉛芯橡膠支座進行了力學性能試驗[2]，鐘鐵毅、楊風利等對鉛芯橡膠支座在鐵路簡支梁橋上的應用進行了研究[3-4]，曾攀、張貞閣等對鉛芯橡膠支座在連續梁橋上的應用進行了研究[5-6]等，而對E型鋼阻尼支座的應用研究較少。E型鋼阻尼支座與鉛芯橡膠支座相比，具有更好的耐久性，因此對其在鐵路橋梁的應用進行研究很有意義。本文基于有限元分析軟件SAP2000建立了不同墩高的鐵路簡支梁橋模型，采用E型鋼阻尼支座對其減隔震效果進行研究。得出了一些有價值的結論，可為同類橋梁的減隔震設計提供有價值的參考。

1 結構分析模型及地震激勵的選取

1.1 簡支梁橋分析模型

本文以某鐵路線8跨簡支梁橋為例進行計算分析，每跨簡支梁跨徑均為32 m，除兩橋臺外，7座橋墩高度不等，變化范圍為21～58 m，各橋墩高度如表1所示。該橋上部梁體為 T形截面，采用C50混凝土，質量500 t;橋墩均為空心圓端形變截面橋墩，采用C35混凝土。基于通用有限元分析軟件 SAP2000，采用墩底固結，分別建立了各橋墩的未隔震和減隔震分析模型，如圖1所示。其中，墩身使用框架單元模擬，E型鋼阻尼支座使用連接單元模擬。

表1 橋墩高度 m

圖1 計算模型示意

1.2 E型鋼阻尼支座力學模型

E型鋼阻尼支座是將E型鋼阻尼元件與普通支座整合到一起得到的阻尼耗能連接結構，兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用。由于其結構全部由鋼材制作而成，故E型鋼阻尼支座具有良好的耐久性。E型鋼阻尼支座結構如圖2所示，其力學模型如圖3所示。

圖2 E型鋼阻尼支座結構

圖3 E型鋼阻尼支座簡化力學模型

圖3中，Fy為支座屈服力，Fu為支座水平極限承載力;dy為支座的屈服位移，du為支座的極限位移;ku為支座的屈服前剛度，很明顯ku=Fy/dy，kd為支座的屈服后剛度，硬化比η=kd/ku。本文所有橋墩均采用相同參數的E型鋼阻尼支座，其基本力學參數如表2所示。

表2 E型鋼阻尼支座基本力學參數

1.3 地震激勵選取

所選鐵路簡支梁橋所處場地為Ⅱ類場地，按基本烈度8度設防。選取7條Ⅱ類場地實際地震記錄作為激勵，沿順橋向加載，各地震波基本特性如表3所示。

表3 Ⅱ類場地地震波記錄基本特性

2 計算結果與分析

2.1 隔震前后橋墩地震響應對比

不同墩高的橋墩未隔震時地震響應與隔震后地震響應隨墩高的變化如圖4和圖5所示。圖中橫坐標為橋墩的高度，縱坐標為墩底彎矩或墩底剪力。

由圖4和圖5可知，在隔震前后，橋墩墩底彎矩和墩底剪力變化趨勢大致是隨著墩高的增大而增大。采用E型鋼阻尼支座以后，橋墩墩底彎矩和墩底剪力與隔震前相比都明顯降低，其中1號墩墩底彎矩的降低幅度最大，由未隔震前的5.04×104kN·m降低到隔震后的1.7×104kN·m，且墩底彎矩、剪力隨高度的變化趨勢與未隔震前相似。

圖4 墩底彎矩與墩高的關系

圖5 墩底剪力與墩高的關系

2.2 隔震率變化規律

各橋墩隔震率隨橋墩高度的變化如圖6所示。

圖6 隔震率與墩高的關系

從圖6可以看出，E型鋼阻尼支座對墩底彎矩的隔震率隨著墩高的增大大體上呈減小的趨勢，且墩底彎矩的隔震率基本上都在50%以上。其中較矮的1號墩墩底彎矩的隔震率最大，達到66.29%，另外2，3，4號墩墩底彎矩的隔震率均在55%以上，而墩高最大為58 m的7號橋墩墩底彎矩的隔震率最小，其值為49.81%。E型鋼阻尼支座對墩底剪力的隔震率都在40%以上，其中較矮的1號墩墩底剪力的隔震率最大，數值為52.89%，而墩高最大為58 m的7號橋墩墩底剪力的隔震率最小，其值為42.49%。

由墩底彎矩和墩底剪力隔震率的對比分析可知，E型鋼阻尼支座對彎矩的減隔震效果好于對墩底剪力的減隔震效果。對于不同墩高的橋墩，E型鋼阻尼支座的隔震效果相差較大。1號墩墩底彎矩的隔震率達到了 66.29%，而 7號墩只有 49.81%，相差了16.48%;1號墩墩底剪力隔震率達到52.89%與7號墩的42.49%相差了10.4%，這主要是由于橋梁的振動周期不同所致。

3 結論

1)在地震作用下，橋墩墩底彎矩和墩底剪力都隨著墩高的增大而增大。采用E型鋼阻尼支座以后，橋墩墩底彎矩和墩底剪力與隔震前相比都明顯降低，其隨墩高的變化趨勢與未隔震時類似。

2)E型鋼阻尼支座對墩底彎矩的減隔震效果和對墩底剪力的減隔震效果都隨著墩高的增大而減小。通過對墩底彎矩和墩底剪力隔震率的對比分析可知，E型鋼阻尼支座對墩底彎矩的減隔震效果要好于對墩底剪力的減隔震效果。

3)對于不同高度的橋墩，E型鋼阻尼支座的隔震效果相差較大。本研究所采用的實例中，不同橋墩墩底彎矩的隔震率差最大達到16.48%，墩底剪力的隔震率差最大達到10.4%，這主要是由于橋梁振動周期不同所致。因此，在進行減隔震設計時，應針對不同高度的橋墩采用不同參數的E型鋼阻尼支座，以達到優化的墩底彎矩和墩底剪力的減隔震效果。

[1]劉享，鐘鐵毅，楊風利，等.鉛芯橡膠支座隔震鐵路簡支梁橋參數影響研究[J].鐵道建筑，2007(5):1-3.

[2]吳彬，莊軍生.鉛芯橡膠支座力學性能及其在橋梁工程中減、隔震應用研究[J].中國鐵道科學，2004，25(4):138-140.

[3]鐘鐵毅，楊風利，吳彬.鉛芯橡膠支座隔震鐵路簡支梁橋雙向地震響應分析[J].中國鐵道科學，2007，28(3):38-43.

[4]楊風利，鐘鐵毅，夏禾.鐵路簡支梁橋減隔震支座設計參數的優化研究[J].鐵道學報，2006，28(3):128-132.

[5]曾攀，閻貴平.鉛芯橡膠支座動力特性對連續梁橋地震響應的影響[J].鐵道學報，2001，23(5):96-101.

[6]張貞閣，鐘鐵毅，王麗.鐵路連續梁橋鉛芯橡膠支座的減隔震研究[J].中國安全科學學報，2003，13(5):41-45.