減隔震支座在某大型不規則結構中的應用研究

鄭晗，范進，陳彥北

（1.南京理工大學，南京210094；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412000）

1 工程概況

1.1 大型不規則結構體概況

本工程結構由上下2 部分組成，上部鋼結構以及下部混凝土結構。上部結構的長度為194m，最大寬度達到63.8m，屬于大型不規則結構。各個功能區塊緊密連接，各功能區塊之間的陣型、模態和周期有很大差別，會造成各個功能區塊之間在地震作用下的變形協調問題，很可能會導致不同區塊之間互相碰撞而破壞。

1.2 場地條件

根據工程地區實測的地勘報告，該地區抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.1g，反應譜周期特性0.4s，場地類型為I 類場地，設計地震分組為第二組。

1.3 樁土作用輸入

樁土作用可以結合本工程的地勘報告采用“m”法彈簧剛度模擬，彈簧剛度可以參考JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》附錄P 的計算方法進行計算。其計算公式如下：

式中，a為土層厚度；bD為樁的計算寬度；m為地基土抗力系數的比例系數；z為土層深度。

2 動力學分析模型

有限元計算模型分成上下2 個部分建立，上部結構采用實體單元，質量、剛度的分布均以實際情況模擬，下部結構采用梁單元建立，共有40 個混凝土墩。減隔震支座用非線性單元進行模擬，整個有限元模型共有159 403 個單元。

3 地震波的選取

根據GB 50191—2012《構筑物抗震設計規范》，結合場地地區的地震記錄與實際場地條件，本文選取多遇、罕遇地震波各3 條（2 條實際地震記錄和1 條人工擬合地震波），記錄其反應頻譜特性以及加速度時程。

4 計算結果與分析

4.1 計算理論

本文采用了動力時程分析法，該方法通過對整體結構的動力平衡方程進行逐步積分，從而計算得知結構在整個地震持續過程中每一瞬時內的位移、速度和加速度反應【1】。式（2）為時程分析法的動力控制方程：

式中，[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；{F}為不平衡力矩陣為地面加速度矩陣；{U}為結構單元速度矩陣為結構單元加速度矩陣。

在有限元分析中，未布置減隔震支座時，考慮結構的地震響應為線彈性響應；當布置了減隔震支座后，結構的地震響應變為非線性響應，但其非線性響應只來自減隔震支座。在分析中，直接采用了瑞利阻尼及集中質量矩陣，如式（3）所示：

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

其中，α 和β 可以由特征向量分析產生的頻率和模態阻尼確定：

式中，ξ 為阻尼比；ωi、ωj為第i、j階模態的自振頻率。

4.2 多遇地震下結構地震響應時程分析

本文采用對比分析的方式，將4 種布置了減隔震支座的動力模型分析結果與未布置減隔震支座的動力模型分析結果對比，得到減隔震支座的應用效果，并將4 種減隔震支座的結果并列比較分析。

4.2.1 墩頂剪力對比

結果表明，4 種減隔震支座在多遇地震下具有良好的降低墩頂剪力的效果。其中，鋼阻尼支座在各個部位的總體表現最好，最大降低率能夠達到90%；鉛芯橡膠支座與高阻尼支座的效果相近，總體上表現不錯；摩擦擺支座的表現效果不是很穩定，在不同位置的降低效果相差較大。

4.2.2 墩底剪力對比

整體結果與墩頂剪力的對比情況相似，各種減隔震支座都具有一定的效果。鋼阻尼支座在墩底縱向剪力的降低效果上仍然呈現出比較明顯的優勢；鉛芯橡膠支座和高阻尼支座也與鋼阻尼支座的表現效果相差不大，鉛芯橡膠支座在二拐處（墩號27-28）的縱向降低率最高可以達到91%；摩擦擺支座在墩底橫向剪力降低效果上要比縱向表現得更好一些。

4.2.3 墩底彎矩對比

減隔震支座對墩底彎矩的控制也有顯著的效果，與之前的剪力控制相比，彎矩的降低程度稍微小一些，各種支座間的差距也相對較小。從縱向降低率結果來看，鋼阻尼支座和高阻尼橡膠支座效果較好；從橫向降低率結果來看，鉛芯橡膠支座在二拐（墩號27-28）位置降低率達到了92%。圖1、圖2 為多遇地震下，減隔震支座在下部結構墩底彎矩上降低效果的對比圖。

圖1 多遇地震下墩底縱向彎矩降低效果對比圖

圖2 多遇地震下墩底橫向彎矩降低效果對比圖

4.2.4 上部結構的應力、位移對比

表1 結果表明，多遇地震下，減隔震支座對上部結構的最大應力控制效果表現一般，對最大位移的控制效果較好，幾種類型的減隔震支座效果相差不大。各種減隔震支座布置方案在多遇地震下，最大應力出現的位置都集中在區塊二的底邊角，最大位移集中出現在四拐的拐角位置。

表1 多遇地震下最大應力、位移對比表

4.3 罕遇地震下結構地震響應時程分析

罕遇地震分析方法與多遇地震的分析方法類似，將整體結構分成上下2 部分進行對比分析。

4.3.1 下部墩結構的內力對比

罕遇地震作用下，各減隔震支座都具有良好的降低墩結構內力的作用。計算結果顯示，減隔震支座在罕遇地震作用下的減震、隔震效果要好于多遇地震，不同減隔震支座間的效果差距有明顯縮小。

4.3.2 上部不規則結構的應力、位移對比

與多遇地震作用下的分析結果不同，在罕遇地震作用下，各減隔震支座在上部結構的減震、隔震表現有了明顯差異性，這種差異性主要體現在各區塊連接處的位移上。從表2 中可以看出，4 種減隔震支座的最大應力降低率基本上沒有差異，但鋼阻尼支座的最大位移降低率明顯小于其他3 種支座。減隔震支座在各區塊連接處的平均應力降低率在罕遇地震作用下要遠大于在多遇地震作用下；罕遇地震作用下，各區塊連接處的平均位移降低率有明顯差異。

表2 罕遇地震下最大應力、位移對比表

5 結論

1）設置減隔震支座后，最大應力集中出現在區塊二底部拐角位置，而最大位移集中在各個拐角位置，這些位置是整個結構最容易發生破壞的關鍵位置；在多遇地震作用下，設置了4 種減隔震支座后，該不規則結構的關鍵位置的最大應力降低不明顯，但對于最大位移有顯著的控制效果；在罕遇地震作用下，關鍵位置的最大應力降低比較明顯，并且除鋼阻尼制作外的另外3 種支座對最大位移的控制效果更好，對其中鉛芯橡膠支座的最大位移降低率可達到78.4%。

2）減隔震支座的應用有效地提高了大型不規則結

構在地震作用下的安全性和穩定性，不同的減隔震支座對該不規則結構的控制效果也有差異。其中，鋼阻尼支座對墩結構內力的控制作用最好，鉛芯橡膠支座對上部結構的位移控制效果最明顯。

3）減隔震支座的減震、隔震效果受到不同因素的影響，綜合下部墩結構的內力控制效果與上部不規則結構的位移控制效果，本工程建議采用鉛芯橡膠支座布置方案，既能保證下部結構有良好的減震效果，又能夠對關鍵部位位移進行最有效的控制。