隔震支座對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

陳 敏

(武漢光谷建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢)

前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通建設(shè)也迎來了快速發(fā)展期，在過去的40 年內(nèi)，我國建造了大量的市政橋梁及公路、鐵路橋梁。另一方面，近年來，地球地質(zhì)活動處于活躍期，地震發(fā)生頻率明顯增高，且高烈度地震的破壞程度也較以往有明顯增加[1-2]。地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的完整性對震后救災有至關(guān)重要的作用。部分地區(qū)橋梁可能是進入重災區(qū)的唯一途徑，一旦橋梁在地震作用下發(fā)生嚴重破壞，將會嚴重影響救援人員和車輛的進入，導致救援無法及時開展，造成嚴重的人員和經(jīng)濟損失[3-4]。

橋梁結(jié)構(gòu)總體可分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)主要指主梁，下部結(jié)構(gòu)主要指橋墩、系梁、承臺和樁基。上下部結(jié)構(gòu)之間通常可分為固結(jié)和支座連接兩種方式。固結(jié)作用下，上下部結(jié)構(gòu)形成一個整體，地震作用下，兩者共同受力，破壞力從下部直接傳到上部，造成的破壞往往較為嚴重[2]。采用支座連接的橋梁由于支座的緩沖和延遲作用，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的慣性力傳導至下構(gòu)時會被很大程度地減小，從而保證下構(gòu)的安全性。由于支座類型和作用原理的不同，相同上構(gòu)荷載的情況下，下構(gòu)所受到的地震作用也有較大區(qū)別[5-6]。減隔震支座旨在通過改變橋梁整體結(jié)構(gòu)的自振特性從而更大程度地減少下部結(jié)構(gòu)的破壞程度。

1 工程概況

某市政工程項目需新建道路2.5 km，其中除橋頭順接段采用路基方案，其余2.42 km 均采用橋梁方案減少占地，提供橋下通行空間。橋梁上構(gòu)選用便于施工和景觀相對較好的標準化預應力混凝土小箱梁，下構(gòu)采用門架墩。其中一座橋梁恒海路大橋，為2×30 m 跨徑組合，兩端順接其他橋梁。橋梁支座初步設(shè)計時選用普通橡膠支座，定測外業(yè)驗收會議中專家提出研究減隔震支座在本項目的適用情況及預計效果。

項目地處7 度區(qū)，地震峰值加速度0.1 g，特征周期3.5 s，項目地類為二類。按照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG T 2231-01-2020）中規(guī)定，反應譜公式為：

式中：S 為加速度反應譜；T 為周期；Smax為設(shè)計加速度反應譜最大值；Tg為特征周期；T0為反應譜直線上升段最大周期。

2 支座數(shù)學模型

支座位于簡支梁或連續(xù)梁的上下構(gòu)之間，起釋放轉(zhuǎn)動約束和豎向支撐的作用。在非地震作用下，上構(gòu)與支座之間主要為靜摩擦力，支座依靠橡膠的彈性變形來為上構(gòu)提供轉(zhuǎn)動自由度。當?shù)卣鸢l(fā)生時，普通支座將地震作用從下構(gòu)傳至上構(gòu)，結(jié)構(gòu)的特征周期并未發(fā)生改變，因此結(jié)構(gòu)的地震反應隨著上構(gòu)質(zhì)量的增加而增加。

當采用減隔震支座時，地震作用下結(jié)構(gòu)的上下部之間傳力存在滯后，從而導致結(jié)構(gòu)整體的特征周期變大。當結(jié)構(gòu)的特征周期與地震反應譜的周期越接近時，共振效應越明顯，結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應也就越大。因此當結(jié)構(gòu)的周期較地震反應譜越遠，地震響應也就越小。這就是減隔震的基本原理[5，7]。

常見的非減隔震支座有普通板式支座和盆式支座等，減隔震支座有鉛芯橡膠支座等。鉛芯橡膠支座在地震作用下，通過鉛芯的變形來吸收能力，從而保證結(jié)構(gòu)的安全。兩種支座的力學模型如圖1 所示。

圖1 支座力學模型（a.普通橡膠支座；b.減隔震支座）

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

采用通用有限元分析軟件Midas civil 建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。主梁、墩柱及樁基采用梁單元模擬，采用節(jié)點彈性約束模擬樁土作用，彈性約束的剛度通過“m”法計算獲得。通過彈性連接來模擬支座，通過調(diào)節(jié)連接的剛度模擬不同支座類型。全橋共有392個節(jié)點，378 個單元。有限元模型如圖2 所示。

圖2 Midas civil 三維有限元模型

通過對有限元模型施加地震時程曲線來分析結(jié)構(gòu)的地震響應。時程曲線由地震反應譜擬合獲得，本文共分析三種不同擬合曲線的地震響應，并取平均值作為結(jié)構(gòu)在該反應譜下的地震響應。分別記錄橋梁橋墩在地震作用下的軸力及彎矩響應，并列表1、表2 所示。

表1 主梁為30 m 跨徑時不同支座地震響應

表2 主梁為40 m 跨徑時不同支座地震響應

從表1 及表2 可以看出，相較于普通支座，采用減隔震支座后，橋墩的軸力及彎矩都有所降低，且相較于軸力，彎矩的減小幅度更加明顯。從截面的彎矩曲率分析可以知道，當軸力相同時，彎矩越大，截面失穩(wěn)的概率越高；當截面所受的彎矩相同時，軸力越大，截面失穩(wěn)的概率越小。在變化不大的情況下也可以理解為軸力對截面是有利的，彎矩是有害的。可以看出采用減隔震支座后，截面的安全性得到了明顯的提升。這是由于減隔震的加入使得整個結(jié)構(gòu)的基頻發(fā)生了變化，地震作用下發(fā)生共振的概率減小，產(chǎn)生的地震響應減小。

同時可以看出，當主梁跨徑由30 m 調(diào)整為40 m時，橋墩軸力和彎矩相應增加，但是調(diào)整前后減隔震支座的效果未發(fā)生明顯變化。這也表明減隔震支座對結(jié)構(gòu)的自重不敏感。因此在減隔震支座的設(shè)計時，可與普通支座一樣，僅考慮承載能力，無需額外考慮其他因素。

從減隔震支座的受力模型可以看出，該種類型支座的減隔震效果主要受兩個參數(shù)的影響，在主梁采用30 m 跨徑不變的情況下，分別改變兩個參數(shù)，然后分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應，如表3 所示。

表3 不同支座參數(shù)下結(jié)構(gòu)響應

從表3 中可以看出，當改變減隔震支座剛度k1后，橋墩的軸力并未發(fā)生明顯變化，1、3 號墩的彎矩響應未發(fā)生明顯改善，但2 號墩的軸力增加，彎矩有較為明顯的減小，這表明多跨結(jié)構(gòu)的跨中處對參數(shù)k1更為敏感。改變減隔震支座剛度k2 后，1、3 號墩的軸力有所增加，彎矩有較為明顯地減小，兩個響應均朝有利方向改善，說明優(yōu)化參數(shù)k2 可以改善邊墩在地震作用下的影響。

4 結(jié)論

以一座兩跨簡支混凝土預制小箱梁為背景，介紹了減隔震支座與普通支座的力學模型，并分別將其運用在橋梁上，采用有限元方法分析了結(jié)構(gòu)的地震響應，從分析結(jié)果中可以得出如下結(jié)論：

（1） 在相同條件下，采用減隔震支座的橋梁相比采用普通支座的橋梁，橋墩底部的彎矩和軸力均有不同程度的減小，但軸力變化不大，彎矩減小較為明顯。

（2） 減隔震支座對不同跨徑的橋梁作用效果相差不大，總體顯示跨徑更大的橋梁減隔震效果更明顯。

（3） 減隔震支座的兩個剛度對中墩和邊墩有不同程度的減隔震效果，剛度K1 對中墩影響程度大于邊墩，剛度K2 則相反。