減隔震支座對現(xiàn)澆箱梁橋減震效應(yīng)的影響

■蔡成奇

(福州路信公路設(shè)計有限公司，福州 350002）

減隔震支座對現(xiàn)澆箱梁橋減震效應(yīng)的影響

■蔡成奇

(福州路信公路設(shè)計有限公司，福州 350002）

以某座三跨連續(xù)梁為例，運用Midascivil有限元分析軟件對普通盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座的地震響應(yīng)進行研究。結(jié)果表明，采用鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座可以通過降低結(jié)構(gòu)低階自振周期，有效降低墩底內(nèi)力。連續(xù)結(jié)構(gòu)中隔震體系比抗震體系受力更為合理。鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座隔震性能較為接近，但考慮支座豎向承載力和耐久性，摩擦擺支座具有較大的優(yōu)勢。

連續(xù)梁 盆式橡膠支座 鉛芯橡膠支座 摩擦擺支座 地震響應(yīng)

0 引言

連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計，一般分為抗震體系和隔震體系兩種方式。采用抗震設(shè)計的做法是采用加大橋墩剛度和強度，以抵抗地震力的影響。采用減隔震設(shè)計的做法是通過設(shè)置減隔震支座，以延長橋梁低階自振周期，減少上部結(jié)構(gòu)地震力的傳遞。為更好了解減隔震支座對結(jié)構(gòu)體系的影響，本文通過對盆式橡膠支座，鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座進行對比分析，研究不同支座下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。通過對比分析不同體系下橋梁的受力特點，為類似的工程提供參考。

1 工程項目背景

福州某快速路高架橋，跨徑為(3×35）m+(37+40+40）m+(3×35）m連續(xù)箱梁橋，取第二聯(lián)進行結(jié)構(gòu)計算，橋型布置詳見圖1。箱梁頂寬16.5m，底寬10.5m，梁高2.2m，箱梁截面為單箱雙室結(jié)構(gòu)。橋墩采用花瓶墩，墩底截面為1.8m×1.5m矩形截面，墩頂截面為2.15m×1.5m矩形截面，橋墩高度為7.6m；承臺為工字型承臺，順橋向長6.5m，橫橋向7.5m，承臺高2.2m，詳見圖3；樁基為1.5m鉆孔灌注樁，樁長60m，橫斷面詳見圖2。

圖1 橋型布置圖(單位：cm）

圖2 橫斷面圖

圖3 承臺布置圖

以本橋為例，采用以下三種支座方案(表1)對結(jié)構(gòu)進行受力分析：

表1 支座方案

2 減隔震技術(shù)原理

在地震荷載作用下，地震力通過基礎(chǔ)和橋墩傳遞給梁部，引起梁部的晃動。對于常規(guī)橋梁，橋墩越高，墩頂位移越大。在地震中，梁部的地震慣性力很大，上部的地震力往下以剪力形式進行傳遞，當剪力值超過支座容許值，造成支座破壞和落梁的地震災(zāi)害。

橋梁的自振周期由基礎(chǔ)、橋墩、支座和梁部四個部分的剛度決定。減隔震支座自身剛度較低，可以有效降低橋梁的自振周期，同時減隔震支座可以很好將地震力消耗掉，降低梁部傳遞下來的地震剪力，減少下部結(jié)構(gòu)造價。

2.1 普通盆式支座

普通盆式支座傳遞上部結(jié)構(gòu)地震力，且地震力主要集中在固定支座，通過支座把地震力傳遞給下部結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)本身采用增加剛度和強度的方式去抵抗地震力。

2.2 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座(LRB）是由鉛芯、鋼板以及橡膠組成，在地震力作用下，鉛芯屈服，支座剛度減小。其減震原理主要是增加結(jié)構(gòu)柔性，延長結(jié)構(gòu)的振動周期來達到減震效果。同時，由于鉛的屈服應(yīng)力較低，并在塑性變形條件下具有較好的疲勞特效，可以起到阻尼消能的作用。

2.3 摩擦擺減隔震支座

摩擦擺支座減震原理主要是當?shù)卣鸢l(fā)生且支座水平力大于支座設(shè)計容許水平力，摩擦擺支座的水平限位裝置剪斷，支座進入滑動狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的振動周期延長，結(jié)構(gòu)受到的地震力大幅度減少，同時，設(shè)計滑動面與滑塊之間的摩擦可以起到消能作用。通過隔離和消減上部結(jié)構(gòu)的地震力的方式，促使上部結(jié)構(gòu)地震力減少對下部結(jié)構(gòu)的影響，減少下部結(jié)構(gòu)的投資造價。

3 橋梁分析模型建立

本文采用Midas/civil建立該橋三維有限元模型，其中主梁、橫梁采用梁單元模擬，橋墩、承臺采用柱單元模擬，樁基礎(chǔ)采用m法進行土彈簧模擬。盆式支座采用彈性支承模擬，鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座采用滯回系統(tǒng)模擬，全橋模型及支座簡化模型詳見圖4和圖5。

圖4 全橋有限元模型

圖5 三種支座簡化模型

4 地震動荷載輸入

橋梁場地位于福州市某地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度，場地類型為Ⅲ類，震動峰值加速度值為0.10g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》，抗震設(shè)防類別為B類，抗震重要系數(shù)Ci為1.7。采用反應(yīng)譜法對模型進行分析。水平加速度反應(yīng)譜曲線詳見圖6：

圖6 反應(yīng)譜曲線(阻尼比0.05）

5 抗震結(jié)果對比

5.1 自振特性對比

對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果，對比不同支座類型下結(jié)構(gòu)前10階的自振頻率，詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)前10階自振頻率

從表2可以看出，采用隔震支座后，可以顯著降低結(jié)構(gòu)低階自振周期，采用鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座后，1階自振頻率分別為0.386Hz和0.257Hz，同普通支座對比，分別降低了37.43%和58.33%。

5.2 墩臺頂支反力分析

連續(xù)梁在3#號墩采用固定支座，該墩所受的地震荷載最大。因此，減隔震支座的目標是減少3#號墩的地震荷載。通過建立結(jié)構(gòu)模型，對三種不同支座，單項地震力作用下的支座反力進行分析，結(jié)果詳見表3：

從表3可以看出，鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座可以有效降低單項地震力，豎向力減隔率分別為67.56%和62.57%，順橋向水平力減隔率分別為57.73%和58.46%，橫橋向水平力減隔率分別為41.56%和34.30%。

5.3 下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

抗震體系和隔震體系在地震作用下的內(nèi)力見表4和表5。根據(jù)表4，采用普通盆式支座，連續(xù)梁墩底順橋向最大剪力和彎矩分別為3938.7kN和30181.0kN·m，橫橋向大剪力和彎矩分別為2624.1kN和9768.7kN·m；采用鉛芯橡膠支座，連續(xù)梁墩底順橋向最大剪力和彎矩分別為1173.0kN和8786.1kN·m，橫橋向大剪力和彎矩分別為1405.2kN和3991.0kN·m；采用摩擦擺支座，連續(xù)梁墩底順橋向最大剪力和彎矩分別為1125.8kN和8939.8kN·m，橫橋向大剪力和彎矩分別為1568.1kN和3523.0kN·m。減隔震支座均可以有效減低上部結(jié)構(gòu)的地震力,鉛芯橡膠支座順橋向和橫橋向隔震率分別為70.93%和59.15%；摩擦擺支座順橋向和橫橋向隔震率為70.38%和65.45%。采用減隔震支座后，結(jié)構(gòu)可以滿足抗震要求。

樁頂反力對比，通過表6可以發(fā)現(xiàn)，采用減隔震支座，可以讓整個結(jié)構(gòu)體系平均承擔地震力，有效減少連續(xù)梁最大樁頂反力 (地震產(chǎn)生的拉力），減隔率分別為45.54%和45.48%。

6 結(jié)論

本文通過連續(xù)梁采用不同類型支座進行研究，得到以下主要結(jié)論：

表3 最大地震作用效應(yīng)組合下墩頂反力

表5 地震組合下橫橋向墩底內(nèi)力

表6 地震組合下樁頂反力

(1）采用兩種減隔震支座均可以有效降低結(jié)構(gòu)的基頻，摩擦擺支座比鉛芯橡膠支座效果更為顯著。

(2）采用減隔震支座可以有效降低順橋向橋墩墩底總剪力、總彎矩、最大剪力、最大彎矩和最大樁頂拉力，同時可使各墩承擔的內(nèi)力分布更均勻。與普通支座相比，隔震體系內(nèi)力值低于抗震體系，結(jié)構(gòu)受力較為合理經(jīng)濟。

(3）在隔震體系中，采用摩擦擺支座和鉛芯橡膠支座，均有顯著的隔震效果且結(jié)果較為接近，但從支座承載力及耐久性方面考慮，摩擦擺支座優(yōu)于鉛芯橡膠支座，因此此類連續(xù)梁橋宜采用摩擦擺支座作為隔震措施。

[1]葉愛君，管仲國.橋梁抗震(第二版）［M］.北京:人民交通出版社，2002.

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[3]許莉，祁皚.多跨混凝土連續(xù)梁橋隔震措施研究［J］.橋梁建設(shè)，2014，44(2）:32-36.

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