簡支梁拱組合橋鉛芯橡膠支座減震特性研究

摘 要：以一座130m簡支梁拱組合橋為例，采用ANSYS軟件對非隔震設(shè)計的盆式橡膠支座和減隔震設(shè)計的鉛芯橡膠支座進行對比分析，比較2種支座設(shè)計下結(jié)構(gòu)的動力特性和抗震效果。

關(guān)鍵詞：鉛芯橡膠支座；簡支梁拱組合橋；減隔震；ANSYS

引言

隨著國家日益繁榮，大跨度橋梁在建和已建項目日益增多。其中拱橋由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式有利于大跨度橋梁的受力特點，而且外形美觀、造價低、施工方便等突出的優(yōu)點，因此在我國的橋梁建設(shè)中應(yīng)用的十分廣泛，其在地震作用下的響應(yīng)也受到越來越多的關(guān)注。對于地震作用，傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的對策是通過增強結(jié)構(gòu)自身抗力和延性來抵抗地震作用，但拱橋被認(rèn)為是抗震性能相對很差的橋型，其軸壓比通常較大，導(dǎo)致延性較低，難于設(shè)計成延性抗震結(jié)構(gòu)來吸收地震能量；而要靠自身抗力來抵抗地震作用又非常困難，要付出很大的代價，是一個不科學(xué)不經(jīng)濟的辦法。因此，減隔震設(shè)計是一個非常好的方法。

1 工程概括及有限元模型

南河特大橋位于國道主干線南京至杭州高速公路上，主橋為下承式無推力簡支梁拱組合橋，采用剛性系桿剛性拱結(jié)構(gòu)，孔徑為129.88m，分為左右兩幅。采用有限元分析軟件ANSYS建立全橋空間有限元模型，拱肋、橋墩、系梁和橫梁均采用空間梁單元模擬，橋面系采用空間殼單元模擬，吊桿采用空間索單元模擬，橋面鋪裝和二期橫載作為殼單元的附加質(zhì)量，鉛芯橡膠支座和盆式橡膠支座均采用非線性彈簧單元模擬。有限元模型如圖1所示。

2 時程分析法

時程分析方法主要優(yōu)點是概念明確，能反映地震三要素，同時還可以處理線性、非線性問題，可以分析一致激勵、多點非一致激烈等情況。求解的方法可以分為兩類：振型疊加法和直接積分法。振型疊加法是采用振型的正交性質(zhì)，對原方程進行方程形式的變化，對變化后的方程進行數(shù)值求解，求解以后再通過振型坐標(biāo)變換公式疊加在一起，得原方程的解。直接積分法是指對運動方程不進行方程形式的變換而直接進行逐步數(shù)值積分。由于隔震模型的剛度矩陣為變剛度矩陣，所以本文采用直接積分法進行地震響應(yīng)計算。通常的直接積分法是基于兩個概念，一是將時間域進行離散，離散后的方程近似等于原方程；二是在Δt區(qū)域內(nèi)，假設(shè)位移，速度和加速度的函數(shù)形式。

2.1 2種支座模型

為進行對比研究，分析計算包括盆式橡膠支座非隔震橋梁地震動力時程分析和鉛芯橡膠支座隔震橋梁地震動力時程分析。2種模型支座參數(shù)如下：

（1）模型1：盆式橡膠支座。對于活動盆式橡膠支座用COMBIN

40單元模擬，COMBIN40單元的實常數(shù)采用《細(xì)則》規(guī)定計算，則K1=2×108N/m，F(xiàn)SLIDE=400kN，K2=0。

（2）模型2：鉛芯橡膠支座。對于鉛芯橡膠支座選用了某廠家的CLRB1350鉛芯橡膠支座，參數(shù)如下：屈服后剛度為5×106N/m，屈服力為400kN，等效剛度為6.6×106N/m，取屈服前剛度為屈服后剛度的10倍。COMBIN40單元的實參數(shù)為K1=4.5×107N/m，F(xiàn)SLDE=400kN，K2=5×106N/m。

2.2 地震動輸入

根據(jù)南河特大橋的橋位地質(zhì)條件和該區(qū)地震烈度查詢《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），可得該橋特征周期Tg為0.40s，屬于Ⅱ類場地，抗震設(shè)防烈度為7度，E1抗震重要性系數(shù)取值為0.5，E2抗震重要性系數(shù)為1.7，場地系數(shù)取值為1.0，水平向設(shè)計基本地震動加速度峰值取值為0.2g。現(xiàn)只對南河特大橋進行E1水準(zhǔn)作用下的時程分析，荷載組合為順橋向+橫橋向+0.3倍順橋向。地震波選取如圖2進行時程分析。

2.3 2種模型動力特性比較

分別采用ANSYS軟件計算非隔震模型和隔震模型的固有頻率和振型，2種模型前10階的計算結(jié)果可以看出：模型2較模型1延長了結(jié)構(gòu)的周期，且符合減隔震設(shè)計橋梁固有周期比不采用減隔震裝置時固有周期的兩倍以上。

2.4 2種模型內(nèi)力響應(yīng)、位移響應(yīng)比較

由表1和表2可以看出，隔震模型的橋墩內(nèi)力響應(yīng)比非隔震模型小，鉛芯橡膠支座具有明顯的減震效果，順橋向剪力最大減震率達(dá)到了44.9%，橫橋向剪力最大減震率達(dá)到了36.3%，順橋向彎矩最大減震率達(dá)到了27.6%，橫橋向彎矩最大減震率達(dá)到了40.6%。設(shè)計中采用鉛芯橡膠支座可以大幅度減小墩底剪力和彎矩。

3 結(jié)束語

鉛芯橡膠支座降低了結(jié)構(gòu)的低階頻率，約45%，但是越高階的頻率影響越小。設(shè)計的鉛芯橡膠支座具有明顯的減震效果，可以大幅度減小各墩墩底剪力及墩底彎矩。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG/T B02-01-2008.公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則[S].中華人民共和國交通運輸部標(biāo)準(zhǔn)，2008.

[2]范立礎(chǔ)，王志強.橋梁減隔震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡介：鄭貴元（1990-），男，漢族，重慶市渝中區(qū)人，碩士研究生，研究方向：主要從事橋梁結(jié)構(gòu)動力、穩(wěn)定性及空間非線性分析方面的工作。