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 減隔震支座在高烈度地區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（交通）

                                    曹  鵬

              （武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司  武漢  430023）

 摘要傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)設(shè)防目標(biāo)主要為保證強(qiáng)度和變形，高烈度地區(qū)的橋梁為達(dá)到E2地震下設(shè)

 防標(biāo)準(zhǔn)，需增大截面提高配筋，而利用減隔震支座則能耗散地震能量、降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)。文中對(duì)非隔震體系與減隔震體系的反應(yīng)譜分析、時(shí)程分析下的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，并考慮了邊界非線性、彈塑性，結(jié)果表明：在相同條件下，設(shè)計(jì)合理的減隔震支座能顯著提高抗震性能。

關(guān)鍵詞  減隔震支座  時(shí)程分析  邊界非線性  HDR

    目前，我國(guó)山區(qū)公路高架橋設(shè)計(jì)基本都以多跨簡(jiǎn)支一連續(xù)梁為主，而該種多跨一聯(lián)的連續(xù)梁基本都是在一聯(lián)中的中間位置設(shè)置一個(gè)固定支座，限制一聯(lián)梁的縱向位移，同時(shí)也不影響其縱向溫度力的傳遞和釋放。但此舉會(huì)使全部地震慣性力都作用在一個(gè)固定墩上，導(dǎo)致固定墩的設(shè)計(jì)較其他墩強(qiáng)大很多，同時(shí)其下部的樁數(shù)增加，墩柱、樁基設(shè)計(jì)由抗震組合控制。

    傳統(tǒng)抗震技術(shù)路線是彈性抗震設(shè)計(jì)，用構(gòu)件的強(qiáng)度作為衡量結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)，確保構(gòu)件的強(qiáng)度滿足抗震需求。減隔震設(shè)計(jì)其原理為隔離上下部結(jié)構(gòu)地震作用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基本周期，增加阻尼，滯回耗能，分散水平力。但要求減隔震支座有可靠的連接，能滿足較大的水平位移。

    案例：某山區(qū)高速公路共布置有十聯(lián)5×20 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，全長(zhǎng)1100 m，采用雙幅橋設(shè)計(jì)，單幅橋由4片預(yù)制小箱梁組成，地震動(dòng)峰值加速度0. 30g，橋址處于8度地震區(qū)，B類橋梁，按9度設(shè)防。墩高10 m，樁柱式橋墩，墩柱直徑1.3 m，柱接單排樁，按II類場(chǎng)地計(jì)算。地震動(dòng)輸入：根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306 - 2001)、《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)．本項(xiàng)目橋梁屬于B類橋梁，地震動(dòng)峰值加速度為0. 30g，地震基本烈度為80，反應(yīng)譜特征周期0. 45s，場(chǎng)地系數(shù)1.0。

    非隔震體系（硬抗）：3號(hào)墩設(shè)置固定盆式支座，其他橋墩設(shè)置DX/SX的盆式支座。普通板式支座：中間各墩設(shè)置GY2350×74普通板式橡膠支座，過(guò)渡墩設(shè)置滑動(dòng)GYZF4支座。隔震體系：中間各墩設(shè)置HDR (I) - d370×177 – G1.0隔震橡膠支座，過(guò)渡墩設(shè)置LNR( H) - d270×109橡膠支座。

    根據(jù)板式橡膠支座的試驗(yàn)結(jié)果，將板式橡膠支座的恢復(fù)力模型取為直線型，近似按最大的剪切應(yīng)變和頻率來(lái)確定支座的剛度。根據(jù)活動(dòng)盆式支座的動(dòng)力滯回曲線試驗(yàn)，將其恢復(fù)力模型取為類似于理想彈塑性材料模型。

1  反應(yīng)譜分析

    基于反應(yīng)譜分析的E2地震作用下，其他條件不變，僅布置不同的支座后，減隔震支座體系、非隔震支座體系（盆式支座、板式橡膠支座）下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異。

1.1 2種體系的一階振型對(duì)比

    規(guī)則橋梁的地震反應(yīng)以一階振型為主，上部結(jié)構(gòu)對(duì)下部結(jié)構(gòu)的地震作用，可簡(jiǎn)化通過(guò)第一階振型計(jì)算。2種體系第一階振型對(duì)比見(jiàn)圖1，2。

    結(jié)論：對(duì)比2種體系的一階振型，盆式支座體系其縱向邊界條件為1個(gè)固定支座十若干滑動(dòng)支座；這種方式導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均勻，設(shè)置固定支座的固定墩承受了較大的水平力和塑性變形，而采用HDR隔震支座后，避免了固定墩受力較大的狀態(tài)，且極大地耗散了地震的水平作用。

1.2    E2地震作用下2種體系墩身截面內(nèi)力對(duì)比

    在進(jìn)行橋梁抗震分析時(shí)，E2地震作用下，延性構(gòu)件的有效截面抗彎剛度采用等效剛度

ECIEFF，其他構(gòu)件的抗彎剛度仍采用毛截面計(jì)算。圖3～圖6列出了E2地震作用下2種支座

體系的墩身內(nèi)力對(duì)比。

    結(jié)論：采用HDR隔震支座后，墩柱內(nèi)力顯著改善，避免了固定墩受力較大的狀態(tài)，各墩受力均勻，水平分散效果好。

2抗震驗(yàn)算

2.1墩底塑性區(qū)抗剪能力驗(yàn)算

墩柱塑性鉸區(qū)域沿順橋向、橫橋向的斜截面抗

結(jié)論：E2地震下，非隔震狀態(tài)和普通板式支座狀態(tài)橫橋向的塑性區(qū)域斜截面剪力設(shè)計(jì)值大于抗剪強(qiáng)度，墩柱在地震作用下會(huì)發(fā)生脆性剪切破壞，不滿足墩柱延性設(shè)計(jì)要求；HDR隔震支座狀態(tài)塑性區(qū)域斜截面剪力設(shè)計(jì)值均小于抗剪強(qiáng)度，滿足墩柱延性設(shè)計(jì)要求。

2.2橋墩延性驗(yàn)算

    墩頂順橋向位移驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

  結(jié)論：E2地震下，HDR隔震支座和普通板式支座狀態(tài)墩頂順橋向位移小于墩柱順橋向容許位移，滿足墩柱延性設(shè)計(jì)要求；盆式支座狀態(tài)固定墩頂順橋向位移大于墩柱順橋向容許位移，不滿足墩柱延性設(shè)計(jì)要求。

2.3支座抗滑穩(wěn)定性

    驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

 結(jié)論：E2地震下，盆式支座水平地震剪切力大于其允許水平力，不滿足地震下抗滑驗(yàn)算要求，支座在地震下會(huì)發(fā)生剪斷、破壞或失效；普通板式支座水平地震剪切力大于其允許水平力，不滿足地震下抗滑驗(yàn)算要求，支座在地震下會(huì)發(fā)生剪斷、破壞或失效；HDR隔震支座水平地震力小于容許水平力，支座滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

 抗震驗(yàn)算結(jié)果表明：采用了HDR隔震支座的減隔震結(jié)構(gòu)能滿足抗震需求，而采用板式橡膠支座、盆式支座在E2地震下不能滿足抗震需求。

3時(shí)程分析

 為驗(yàn)證減隔震體系橋梁設(shè)計(jì)方案的有效性，采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法，輸入類似場(chǎng)地的實(shí)錄波，對(duì)采用HDR隔震支座體系結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力分析。

3.1動(dòng)力分析模型質(zhì)量模擬

 動(dòng)力分析模型質(zhì)量的模擬方法采用集中質(zhì)量矩陣法，假定單元的質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)上，在相同精度要求條件下，質(zhì)量矩陣可用較低階插值函數(shù)，還可以減少方程自由度。

3.2  動(dòng)力分析模型邊界條件模擬

 程序中采用質(zhì)量和剛度因子法。板式橡膠支座采用線性彈簧連接單元模擬，活動(dòng)盆式支座采用摩擦擺隔震裝置來(lái)模擬，對(duì)于鉛心橡膠支座，根據(jù)其滯回曲線，可以采用雙折線彈塑性模型模擬。建立橋梁抗震分析模型應(yīng)考慮樁土的共同作用，樁土的共同作用可用等代土彈簧模擬。m動(dòng)取m靜的2倍。

3.3計(jì)算模型

 箱梁、蓋梁、橋墩、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧�模擬，沿順橋向、橫橋向，雙柱墩的端部區(qū)域?yàn)樗苄糟q區(qū)域。根據(jù)塑性鉸所在截面的混凝土強(qiáng)度、截面尺寸、配置的縱筋和箍筋，混凝土材料根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用mander模型的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，計(jì)算截面的M-cp關(guān)系曲線、塑性鉸長(zhǎng)度，彈塑性鉸的類型定義為纖維模型，可準(zhǔn)確模擬受彎構(gòu)件的力學(xué)特性，考慮截面內(nèi)纖維的局部損傷狀態(tài)。

3.4計(jì)算結(jié)果

 HDR隔震支座體系的時(shí)程響應(yīng)見(jiàn)圖7～8。結(jié)論：與靜力方法的反應(yīng)譜分析結(jié)果相比，考慮了邊界、材料的非線性時(shí)程分析結(jié)果表明，下部結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性后，構(gòu)件剛度退化，內(nèi)力響應(yīng)變化不大，而位移響應(yīng)變化較大。時(shí)程分析的結(jié)果更趨近實(shí)際情況。

4結(jié)論

(1)對(duì)比非隔震體系、減隔震體系2種體系的一階振型，可以看出采用HDR隔震支座后，避免了固定墩受力較大的狀態(tài)，且極大地耗散了地震的水平作用。

(2)采用HDR隔震支座后，墩柱內(nèi)力顯著改善，避免了固定墩受力較大的狀態(tài)，各墩受力均勻，水平分散效果好。

(3)墩底塑性區(qū)抗剪能力驗(yàn)算、墩頂順橋向位移驗(yàn)算、支座抗滑穩(wěn)定性均表明HDR能滿足抗震需求，而板式橡膠支座、盆式支座在E2地震下可能發(fā)生破壞。綜上所述，設(shè)計(jì)合理、可靠的減隔震支座可以提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

(4)時(shí)程分析考慮了減隔震體系的邊界非線性、材料彈塑性，其結(jié)果較反應(yīng)譜分析更趨近實(shí)際情況，是反應(yīng)譜分析方法的有效驗(yàn)證。