基于時(shí)程分析的連續(xù)梁橋的減震設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

趙 凱，李福如

（山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 概述

隨著國家大力建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁數(shù)量不斷增加，截止2019 年底，全國公路橋梁87.83 萬座，其中連續(xù)梁橋占了較大比例。近年來，地震發(fā)生比較頻繁造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，而橋梁作為重要的生命線工程之一，在抗震救災(zāi)中起到的作用是非常巨大的[1]。因此開展連續(xù)梁橋的抗震及優(yōu)化有著重要的意義。

2 連續(xù)梁橋模型的建立

2.1 鉛芯橡膠支座的模擬

鉛芯橡膠支座是在疊層橡膠中插入一個(gè)或多個(gè)鉛銷以幫助其在地震來臨時(shí)吸收耗散能量從而使其阻尼增加的一種抗震支座。該種支座不僅能夠承受結(jié)構(gòu)重力和水平力的作用，而且還具有很大的初始剛度，能在地震來臨時(shí)，根據(jù)其較大的屈服能力，吸收耗散能量，產(chǎn)生較大的塑性變形，延長結(jié)構(gòu)的周期[2]。除此之外，橡膠與鉛芯相互組合能夠使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的水平恢復(fù)力。鉛芯橡膠支座通過上述的組合效應(yīng)能夠減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

依據(jù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中可以采用不同的分析方法，鉛芯橡膠支座有等效線性化模型和非線性模型兩大類[3]。鉛芯橡膠支座在非線性動(dòng)力時(shí)程分析中一般采用非線性模型[4]。

雙線性模型是非線性模型的其中一種，其F（力）-S（位移）滯回曲線見圖1。

圖1 鉛芯橡膠支座F-S 滯回曲線

滯回曲線：

式中：F—合計(jì)彈簧力，kN；F1—彈簧K1的內(nèi)力，kN；F2—彈簧K2的內(nèi)力，kN；Q—界限力，kN；S1—彈簧K1的有效伸長，m。

2.2 計(jì)算模型

以某連續(xù)箱梁橋33 m+52.5 m+52.5 m+33 m 為例建立計(jì)算模型，全橋長171 m。共設(shè)5 個(gè)墩，均為矩形截面。采用Midas Civil 建模時(shí)，主梁、橋墩采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。該計(jì)算模型未考慮樁土相互作用及行波效應(yīng)和非線性，且只對(duì)上部結(jié)構(gòu)主控制斷面的位移和內(nèi)力進(jìn)行分析比較。計(jì)算模型見圖2。

圖2 連續(xù)梁計(jì)算模型

3 計(jì)算分析

3.1 地震激勵(lì)

根據(jù)已有的研究發(fā)現(xiàn)，分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向激勵(lì)、橫向激勵(lì)、橫向加豎向激勵(lì)、縱向加豎向激勵(lì)、縱向加橫向加豎向激勵(lì)抗震分析時(shí)，結(jié)構(gòu)在組合激勵(lì)下的反應(yīng)最不利。基于相關(guān)規(guī)范及研究，對(duì)連續(xù)梁橋地震激勵(lì)輸入時(shí)，選擇Ex +0.65Ey+0.85Ez 即縱向+0.65 豎向+0.85 橫向，以EL Centro 波作為地震激勵(lì)，因?yàn)楸緲蛑骺鐬?2.5 m，因此可以采用一致激勵(lì)的地震反應(yīng)分析。

3.2 支座參數(shù)選擇

鉛芯橡膠支座的屈服剛度、屈服前剛度及屈服后剛度是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，獨(dú)立的作為支座的影響參數(shù)是不科學(xué)的。研究發(fā)現(xiàn)，鉛芯橡膠支座的直徑?jīng)Q定了其力學(xué)參數(shù)，同時(shí)地震響應(yīng)的關(guān)鍵控制因素，其橡膠的直徑與剪切模量對(duì)于抗震作用較小。因此，在連續(xù)梁橋采用鉛芯鉛芯橡膠支座進(jìn)性減震優(yōu)化分析時(shí)，以鉛芯直徑作為主要研究對(duì)象，根據(jù)《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T 822—2011）初步確定圓形鉛芯橡膠支座尺寸，參數(shù)見表1。

表1 5 種型號(hào)的鉛芯橡膠支座參數(shù)

3.3 計(jì)算分析

3.3.1 無減震支座結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

經(jīng)計(jì)算該橋的結(jié)構(gòu)自振周期為1.664 s，所以在結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)輸入的強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間為16.64 s。各跨跨中位移見表2。分析可知，各跨跨中的順橋向位移最大，為主要控制因素，因此在進(jìn)行不同鉛芯直徑的減震分析時(shí)，只列出順橋向位移。

表2 無減震支座下的各跨跨中位移

3.3.2 不同鉛芯直徑下支座結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

對(duì)5 種類型的鉛芯橡膠支座的連續(xù)梁橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析，各跨跨中順橋向位移見表3。

表3 5 種型號(hào)的鉛芯橡膠支座各跨跨中順橋向位移

通過對(duì)鉛芯橡膠支座的鉛芯直徑進(jìn)行分析得出：（1）連續(xù)梁橋在地震作用的最大位移為順橋向位移，且最大位移均不超過支座最大的設(shè)計(jì)允許位移0.1 m，因此不用考慮支座失效后的建模問題。（2）采用不同型號(hào)鉛芯橡膠支座的連續(xù)梁橋在地震激勵(lì)作用下的順橋向位移都有所減少。（3）隨著鉛芯直徑的增加，連續(xù)梁橋在地震作用下的順橋向位移逐漸減少，鉛芯直徑增加至142 mm 后，減震效果趨于平緩。

4 結(jié)語

（1）連續(xù)梁橋在三向地震激勵(lì)作用下的最大位移為順橋向位移，因此在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮順橋向抗震。（2）采用鉛芯橡膠支座能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，隨著直徑的增加效果趨于平緩。在抗震設(shè)計(jì)選擇鉛芯橡膠支座直徑時(shí)，應(yīng)通過計(jì)算分析，選擇合理的直徑，達(dá)到效果最佳，成本最優(yōu)。