E型鋼阻尼支座在橋梁減震中的應用

梁偉，李寧

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

5·12汶川地震以來橋梁工程的抗震設計引起了人們的高度重視，目前提高橋梁抗震性能的方法主要有:①通過改善結構自身的抗震性能(強度、剛度、延性)來減小地震危害;②對結構施加控制裝置，由控制裝置與結構共同承受地震作用。相對于第一種方法，對結構施加控制裝置的方法將能更經濟、有效地提高結構的抗震能力。

本文主要以建造在II類場地、8度地震烈度區廈門—深圳線的尚書特大橋為例，針對其在設計地震烈度和罕遇地震烈度下，分別進行了地震響應時程分析;分析中分別就有無E型鋼阻尼支座的兩種工況進行了討論。通過上述分析及討論，研究了減隔震技術在橋梁上的應用產生的效果。

1 E型鋼阻尼支座介紹

E型鋼阻尼支座(圖1所示)是在彈塑性鋼阻尼器的基礎上研發的一種新型軟鋼支座。該支座將E型鋼阻尼器與普通支座整合到一起，使之兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用，并具有結構形式簡單、外形美觀、便于批量生產等優點。

圖1 E型鋼阻尼支座

E型鋼阻尼支座的力學機制實質上就是通過E型鋼塑性變形來消耗地震能量，其耗能的原理是利用具有低屈服點的金屬材料在發生塑性變形時不至發生應變集中，并且屈服比越小，塑性區面積越大，地震時耗散能量越明顯。

2 分析模型的建立

尚書橋是簡支梁橋，建立全橋模型似乎并不完全必要。為了達到本項研究的目的，同時節省運算時間，我們選取了一個具有不同墩高的4跨典型橋梁模型開展地震響應分析。墩底的邊界條件為考慮墩土相互作用，地震荷載僅施加在橋的縱向。為了進行時程分析，我們選用了El Centro地震波，同時考慮了兩種地震烈度對橋梁的作用:⑴設計地震烈度;⑵罕遇地震烈度。

2.1 工程實例

廈－深線尚書特大橋屬于鋼筋混凝土簡支梁橋，由59跨組成，包括1×24 m和54×32 m簡支梁及(40+2×56+40)m四跨連續梁。墩高從3 m至10 m不等，基礎由摩擦樁群組成。梁體截面為箱型梁，梁體由盆式支座支撐在墩上，一端是固定支座，另一端只允許梁體在橋的縱向發生位移。

2.2 有限元計算模型的建立

此橋全部采用梁單元建模，取全橋的2、3、4、5跨進行分析。4跨模型總共58個單元，其中主梁16個單元，墩及承臺26個單元，其余為支座連接單元和支座墊石單元。其中橋墩的編號從左到右依次為2#、3#、4#、5#和6#;主梁的編號從左到右依次為2#、3#、4#、5#(見圖2)。E型鋼阻尼支座模型在MIDAS里用一般連接模擬。在初始的地震響應分析中，樁用梁單元進行模擬，樁基礎與結構的相互作用直接采用彈簧單元模擬。

圖2 有限元計算模型

3 地震記錄的選用

為了檢驗近源地震波的影響，選取El Centro波，并根據尚書橋所在地理位置的場地類型按照規范的設計譜對其加以修正，使修正后的地震波生成的加速度反應譜曲線與該地區的設計譜曲線達到基本相符合。根據規范查得尚書橋設防烈度為8度，Ⅱ類場地。按設計地震水平地震基本加速度為a=0.2g，修改的地震波記為修正的El Centro波。圖3顯示了修改后的El Centro波。圖4、圖5顯示了修正Elcentro波反應譜與該地的設計譜的對比。

圖3 修正的Elcentro波

圖4 修正的Elcentro波生成的反應譜

圖5 該地區的抗震設計譜

由圖4、圖5對比可以看出，按場地類別及設計地震水平地震基本加速度值修正的地震波，得到的地震反應譜與規范設計譜基本吻合。因此經修改后得到的地震波可作為尚書特大橋計算地震響應的地震波。

4 計算結果和分析

4.1 計算理論

在本分析中，采用了時程分析方法，其控制動力方程如下:

式中:［M］是質量矩陣;［C］是阻尼矩陣;{F}是不平衡力矩陣;是地面加速度。在無E型鋼阻尼支座時，考慮橋梁的地震響應為線彈性響應，當有E型鋼阻尼支座時，考慮橋梁的地震響應為非線性響應，但是非線性響應僅來自于E型鋼阻尼支座。

在分析中，采用了集中質量矩陣。阻尼直接采用了瑞利阻尼，如式(2)所示，式中α和β可由特征向量分析產生的頻率和模態阻尼確定。

式中:［M］是結構的質量矩陣;［K］是結構的剛度矩陣;α為質量因子;β為剛度因子。

式中:ξ為阻尼比;ωi與ωj分別為第i階和第j階模態的自振頻率。

4.2 有限元結果和分析

(1)限于篇幅僅列出橋梁布置E鋼阻尼支座的最大內力(罕遇、設計)，如圖6～圖9所示。

(2)以4號墩上的E型鋼阻尼支座為例，研究在受地震作用時阻尼支座的耗能特性。滯回曲線的面積表示支座內力所做的功，即為耗散的地震能量。圖10、圖11顯示了E鋼阻尼支座良好的耗能特性。

(3)為了實際說明E鋼阻尼支座的減震效果將墩底受力列于表1。

圖6 設計地震下的最大彎矩(kN·m)

圖7 設計地震下的最大剪力(kN)

圖8 罕遇地震下的最大彎矩(kN·m)

圖9 罕遇地震下的最大剪力(kN)

圖10 設計地震滯回曲線

注:6號墩未布置阻尼支座

圖11 罕遇地震滯回曲線

5 結論

從分析數據可以看出:

(1)E型鋼阻尼支座在縱橋向能有效地減小橋墩的彎矩，最大能夠減小約50%;對于墩的最大剪力而言，雖然E型鋼阻尼支座也能有效降低剪力，但效果不明顯。

(2)E型鋼阻尼支座適合于不同高度的橋墩。且無論是設計地震還是罕遇地震，E型鋼阻尼支座都能夠發揮良好的減震效果。

(3)E型鋼阻尼支座的滯回曲線顯示了它良好的耗能作用，且越是大的地震力作用，耗能效果體現的越明顯。

(4)在不同烈度區，不同場地對尚書橋進行計算分析(數據限于篇幅本文未列出)，E鋼阻尼同樣有良好的減震耗能效果。

［1］周云，宗蘭．土木工程抗震設計［M］．北京:科學出版社，2003

［2］彭俊生，羅永坤．結構動力學［M］．成都:西南交通大學出版社，2005