高烈度地區減隔震橋梁動力性能優勢分析

閆 凱

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州院，河南 鄭州 450001）

引言

橋梁在整個交通路網系統中起著舉足輕重的作用，如何保證橋梁結構在地震力作用下的安全及正常使用，已經成為當今地震研究的一個重要課題。中國在橋梁工程領域的抗震、減震及隔震工作取得了較大的突破與進展[1-2]。針對連續梁橋抗震減震措施，相關研究表明: 采用減隔震支座裝置的橋梁其抗震性能具有明顯的優勢。基于此，以某連續梁橋為工程實例，應用Midas Civil 建立計算模型，通過反應譜法與非線性時程分析方法，對橋梁結構進行系統性的地震響應分析。

1 橋梁減隔震技術的應用機理

根據結構體系對地震響應的規律，橋梁減隔震技術的具體作用機理可以總結為以下兩點[3]：

1.1 增加結構自振周期

在進行橋梁結構設計時可以通過設計柔性支撐結構的方式來實現對整個橋梁結構周期延長的目的，通過增加周期來降低結構的加速度反應，從而減弱地震作用時的地震響應。

1.2 減少結構塑性變形的位移量

為了減小由于增加自振周期所增加的這部分位移量，可以運用科學合理方法使用一些阻尼器等能量消耗構件，當地震發生時，隨著結構位移的不斷增加，橋墩進入塑性，此時阻尼器也能夠快速由彈性狀態進入塑性狀態，并產生相應的阻尼來抵消地震的能量，進而減少橋墩的位移量。

2 工程概況

2.1 概述

以某3 m×30 m 預應力混凝土先簡支后連續小箱梁為工程背景進行模擬分析，橋墩均采用雙柱式橋墩，墩高15 m，直徑1.4 m，樁基直徑1.6 m，支座采用HDR 高阻尼橡膠減隔震支座。地震設防烈度8 度，0.3 g，分區特征周期0.4 s，場地類別II 類，橋梁抗震設防類別B 類。

2.2 模型建立

采用Midas Civil 有限元軟件建立3 m×30 m 全橋空間有限元模型，二期恒載作為梁單元附加質量，并建立樁基模型，空間模型見圖1，從左至右依次為1#～4#墩。

圖1 空間模型圖

3 非減隔震橋梁有限元分析

由于在小震E1 情況下，減隔震橋梁抗震性能不顯著，因此僅對大震E2 情況作用下分析其動力特性。對非減隔震橋梁計算時采用反應譜法，E2 地震作用下其反應譜函數在Civil 中確定。

3.1 E2 反應譜結構自振周期

取一階模態時的周期作為橋梁的自振周期。根據Midas Civil 計算結構，結構自振周期為2.54 s，且一階模態時結構順橋向變形，二階模態時結構整體向橫橋向變形。

3.2 E2 反應譜計算最大內力

E2 地震作用下，取恒載與地震最不利組合下計算橋墩最大內力。由圖2 可知，在最不利荷載組合下，最不利橋墩為2#橋墩下部，最大彎矩7 691 kN·m，最大軸力6 619 kN。根據《規范》第7.4.7 條規定，通過彎矩- 曲率曲線求得橋墩等效屈服彎矩與計算彎矩比較，判斷其是否進入塑性。

圖2 最不利荷載組合下橋墩內力（左側彎矩右側軸力）

由圖3 彎矩- 曲率曲線可知，橋墩等效屈服彎矩為5 979 kN·m，小于橋墩計算彎矩7 691 kN·m，因此橋墩進入塑性，依據《規范》需對橋墩進行pushover分析。

圖3 橋墩彎矩- 曲率曲線

3.3 橋墩pushover 分析

依據《規范》，當橋墩進入塑性后，需對橋墩進行靜力推到分析法，迭代計算求得橫橋向墩頂允許位移，而順橋向墩頂位移按照《規范》7.4.4 計算。

由圖4 可知，通過pushover 計算得到橋墩橫向最大位移發生在墩頂[4-5]，且墩頂橫向最大允許位移?u=10.9 cm。

圖4 pushover 橫向允許位移

根據《規范》第7.4.4 條規定，橋墩墩順橋向最大允許位移發生在墩頂，且最大允許位移?u=29.2 cm。

3.4 E2 反應譜計算最大位移

取恒載與地震最不利荷載組合，分別計算橋墩順橋向和橫橋向最大計算位移。

由圖5 可知，E2 地震作用下橋墩順橋向最大計算位移發生在4#橋墩，這是因為橋墩一階模態主要沿順橋向變形，順橋向最大計算位移?d=18.2 cm，小于順橋向最大允許位移?u=29.2 cm，因此順橋向橋墩變形滿足要求；E2 地震作用下橋墩橫橋向最大計算位移發生在1#橋墩，這是因為橋墩二階模態主要沿橫橋向變形，橫橋向最大計算位移?d=16.0 cm，大于橫橋向最大允許位移?u=10.9 cm，橫橋向橋墩變形不滿足要求。因此，橋梁設計時應加設橫向擋塊或鋼板限制梁體橫向位移，防止發生梁體脫落，導致橋梁坍塌。

圖5 最不利荷載組合下橋墩位移（左順右橫）

4 減隔震橋梁有限元分析

由于減隔震支座的非線性特性，反應譜法已不再適用，因此采用能確切模擬支座非線性特性的時程分析法[4]。

4.1 E2 時程結構自振周期

取一階模態時的周期作為橋梁的自振周期。根據Midas Civil 計算結構，結構自振周期為3.08 s，且一階模態時結構順橋向變形，二階模態時結構整體向橫橋向變形，與非減隔震橋梁一、二階模態一致，但橋梁自振周期明顯提高，通過增加周期，降低了結構的加速度反應，減弱了地震作用時的地震響應。

4.2 E2 時程計算最大內力

取恒載與地震最不利組合下計算橋墩最大內力。由圖6 可知，在最不利荷載組合下，最不利橋墩為2#橋墩下部，最大彎矩為7 423.4 kN·m，最大軸力6 344.7 kN。相較于非減隔震橋梁，橋墩最大彎矩和最大軸力都降低，這也證明了在使用減隔震支座后，提高了橋梁整體的柔性，減少了地震時產生的地震效應。同樣，根據彎矩- 曲率曲線圖7 所示，求得橋墩等效屈服彎矩為7 661 kN·m 大于于計算彎矩，因此，在使用減隔震支座后橋墩還處于彈性階段，這也符合《規范》中在使用減隔震支座后橋墩不允許進入塑性的原則[6]。

圖6 最不利荷載組合下橋墩內力（左側彎矩右側軸力）

圖7 橋墩彎矩- 曲率曲線

4.3 E2 時程計算最大位移

取恒載與地震最不利荷載組合，分別計算橋墩順橋向和橫橋向最大計算位移。

減隔震橋梁與非減隔震橋梁的位移云圖有明顯的差別。減隔震橋梁順橋向方向變形不再是單一的沿某一方向，從圖8 可以看出，1#、3#橋墩沿一方向，2#、4#橋墩沿一方向，呈對稱分布，這樣更能抵抗地震效應，提高橋梁整體延性，順橋向最大位移為15.0 cm。同樣，橫橋向每個墩柱變形方向相反，平衡地震橫橋向作用，最大位移為4.7 cm。而且橋梁順橋向和橫橋向位移均小于允許位移值，這樣在橋梁設計時就不需要設計橫向擋塊或者鋼板，減少橋梁設計師的精力力。

圖8 最不利荷載組合下橋墩位移（左順右橫）

5 結論

通過Midas/Civil 有限元軟件建立三跨連續梁橋，分別應用時程分析法和反應譜法，得到橋墩不同的受力特性，現總結如下：

（1） 在恒載與地震作用下，相比于非減隔震橋梁，減隔震橋梁可以提高橋梁整體的自振周期，大約提高20%左右。

（2） 在最不利荷載組合下，無論是減隔震橋梁還是非減隔震橋梁，其內力最大值均位于墩頂，且在使用減隔震支座后，橋墩的內力減少，橋墩還處于彈性階段未進入塑性，主要由支座抵抗地震荷載；而在未使用減隔震支座的橋梁中，橋墩進入塑性，主要由橋墩來抵抗地震作用，顯然對橋墩不利。

（3） 在地震作用下，減隔震橋梁和非減隔震橋梁變形明顯不同，非減隔震橋梁橫橋向和順橋向變形均表現為沿某一方向，且橫橋向位移超過橋墩允許位移值，需增設橫向擋塊或鋼板來防止發生落梁事件；而減隔震橋梁順橋向變形表現為相對稱的結構，互相作用，橫向變形表現為兩墩柱方向變形，通過這種方式來抵抗地震作用，且縮小了橋梁橫向位移，使其在允許位移內。