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1、2023.24 科学技术创新隔震支座对结构抗震性能的影响分析陈敏(武汉光谷建设投资有限公司,湖北 武汉)前言随着我国经济的快速发展,交通建设也迎来了快速发展期,在过去的 40 年内,我国建造了大量的市政桥梁及公路、铁路桥梁。另一方面,近年来,地球地质活动处于活跃期,地震发生频率明显增高,且高烈度地震的破坏程度也较以往有明显增加1-2。地震作用下桥梁结构的完整性对震后救灾有至关重要的作用。部分地区桥梁可能是进入重灾区的唯一途径,一旦桥梁在地震作用下发生严重破坏,将会严重影响救援人员和车辆的进入,导致救援无法及时开展,造成严重的人员和经济损失3-4。桥梁结构总体可分为上部结构和下部结构,上部结构主
2、要指主梁,下部结构主要指桥墩、系梁、承台和桩基。上下部结构之间通常可分为固结和支座连接两种方式。固结作用下,上下部结构形成一个整体,地震作用下,两者共同受力,破坏力从下部直接传到上部,造成的破坏往往较为严重2。采用支座连接的桥梁由于支座的缓冲和延迟作用,上部结构在地震作用下的惯性力传导至下构时会被很大程度地减小,从而保证下构的安全性。由于支座类型和作用原理的不同,相同上构荷载的情况下,下构所受到的地震作用也有较大区别5-6。减隔震支座旨在通过改变桥梁整体结构的自振特性从而更大程度地减少下部结构的破坏程度。1工程概况某市政工程项目需新建道路 2.5 km,其中除桥头顺接段采用路基方案,其余 2.
3、42 km 均采用桥梁方案减少占地,提供桥下通行空间。桥梁上构选用便于施工和景观相对较好的标准化预应力混凝土小箱梁,下构采用门架墩。其中一座桥梁恒海路大桥,为 230m 跨径组合,两端顺接其他桥梁。桥梁支座初步设计时选用普通橡胶支座,定测外业验收会议中专家提出研究减隔震支座在本项目的适用情况及预计效果。项目地处 7 度区,地震峰值加速度 0.1 g,特征周期 3.5 s,项目地类为二类。按照 公路桥梁抗震设计规范(JTG T 2231-01-2020)中规定,反应谱公式为:(1)式中:S 为加速度反应谱;T 为周期;Smax为设计加速度反应谱最大值;Tg为特征周期;T0为反应谱直线上升段最大周
4、期。2支座数学模型支座位于简支梁或连续梁的上下构之间,起释放转动约束和竖向支撑的作用。在非地震作用下,上构与支座之间主要为静摩擦力,支座依靠橡胶的弹性变形来为上构提供转动自由度。当地震发生时,普通支座将地震作用从下构传至上构,结构的特征周期并未发生改变,因此结构的地震反应随着上构质量的增加而增加。当采用减隔震支座时,地震作用下结构的上下部作者简介:陈敏(1980-),女,本科,高级工程师,从事市政工程管理方向相关研究。摘要:减隔震支座的合理运用可以降低桥梁结构在地震作用下的损伤,为促进减隔震技术在桥梁领域的进一步发展,以一座 2 跨简支预应力混凝土箱梁为对象,采用有限元模型分析了桥梁在普通支座
5、和减隔震支座下的地震响应,对比分析了不同支座参数下的桥梁地震响应。结果表明,相比普通支座,减隔震支座可以在很大程度上减小结构的地震损伤,且支座两个刚度参数对边墩和中墩有不同的作用。关键词:桥梁工程;支座;减隔震技术;地震响应中图分类号院U442.5文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤24-0149-04 0max 0.6/0.4maxmax/gST TS TSSTT 149-科学技术创新 2023.24之间传力存在滞后,从而导致结构整体的特征周期变大。当结构的特征周期与地震反应谱的周期越接近时,共振效应越明显,结构在地震作用下的响应也就越大。因此当结构的周期较地震反应谱越远,
6、地震响应也就越小。这就是减隔震的基本原理5,7。常见的非减隔震支座有普通板式支座和盆式支座等,减隔震支座有铅芯橡胶支座等。铅芯橡胶支座在地震作用下,通过铅芯的变形来吸收能力,从而保证结构的安全。两种支座的力学模型如图 1 所示。3结构有限元分析采用通用有限元分析软件 Midas civil 建立结构的三维有限元模型。主梁、墩柱及桩基采用梁单元模拟,采用节点弹性约束模拟桩土作用,弹性约束的刚度通过“m”法计算获得。通过弹性连接来模拟支座,通过调节连接的刚度模拟不同支座类型。全桥共有 392个节点,378 个单元。有限元模型如图 2 所示。通过对有限元模型施加地震时程曲线来分析结构的地震响应。时程
7、曲线由地震反应谱拟合获得,本文共分析三种不同拟合曲线的地震响应,并取平均值作为结构在该反应谱下的地震响应。分别记录桥梁桥墩在地震作用下的轴力及弯矩响应,并列表 1、表 2 所示。从表 1 及表 2 可以看出,相较于普通支座,采用减隔震支座后,桥墩的轴力及弯矩都有所降低,且相较于轴力,弯矩的减小幅度更加明显。从截面的弯矩曲率分析可以知道,当轴力相同时,弯矩越大,截面失稳的概率越高;当截面所受的弯矩相同时,轴力越大,截面失稳的概率越小。在变化不大的情况下也可以理解为轴力对截面是有利的,弯矩是有害的。可以看出采用减隔震支座后,截面的安全性得到了明显的提升。这是由于减隔震的加入使得整个结构的基频发生了
8、变化,地震作用下发生共振的概率减小,产生的地震响应减小。同时可以看出,当主梁跨径由 30 m 调整为 40 m时,桥墩轴力和弯矩相应增加,但是调整前后减隔震支座的效果未发生明显变化。这也表明减隔震支座对结构的自重不敏感。因此在减隔震支座的设计时,可与普通支座一样,仅考虑承载能力,无需额外考虑其他因素。从减隔震支座的受力模型可以看出,该种类型支座的减隔震效果主要受两个参数的影响,在主梁采用30 m 跨径不变的情况下,分别改变两个参数,然后分(a)(b)图 1支座力学模型(a.普通橡胶支座;b.减隔震支座)FdFmaxdy-Fmax Fdk2k1图 2Midas civil 三维有限元模型150-
9、2023.24 科学技术创新表 3不同支座参数下结构响应析结构在地震作用下的响应,如表 3 所示。从表 3 中可以看出,当改变减隔震支座刚度 k1后,桥墩的轴力并未发生明显变化,1、3 号墩的弯矩响应未发生明显改善,但 2 号墩的轴力增加,弯矩有较为明显的减小,这表明多跨结构的跨中处对参数 k1更为敏感。改变减隔震支座刚度 k2 后,1、3 号墩的轴力有所增加,弯矩有较为明显地减小,两个响应均朝有利方向改善,说明优化参数 k2 可以改善边墩在地震作用下的影响。4结论以一座两跨简支混凝土预制小箱梁为背景,介绍了减隔震支座与普通支座的力学模型,并分别将其运用在桥梁上,采用有限元方法分析了结构的地震
10、响应,从分析结果中可以得出如下结论:(1)在相同条件下,采用减隔震支座的桥梁相比采用普通支座的桥梁,桥墩底部的弯矩和轴力均有不同程度的减小,但轴力变化不大,弯矩减小较为明显。(2)减隔震支座对不同跨径的桥梁作用效果相差不大,总体显示跨径更大的桥梁减隔震效果更明显。(3)减隔震支座的两个刚度对中墩和边墩有不普通支座 抗震支座 位置 轴力 弯矩 轴力 弯矩 1 号墩左 8 350.8 9 695.2 7 800.4 6 998.1 1 号墩右 8 950.5 9 975.2 8 776.1 8 466.3 2 号墩左 8 443.9 10 256.8 6 934.7 6 433.9 2 号墩右 8
11、 821.2 9 717.3 7 362.0 8 169.4 3 号墩左 8 444.9 9 695.5 7 290.4 6 916.3 3 号墩右 8 296.1 9 669.2 7 606.6 5 466.0 表 1主梁为 30 m 跨径时不同支座地震响应普通支座 抗震支座 位置 轴力 弯矩 轴力 弯矩 1 号墩左 11 540.5 12 464.9 9 158.6 9 619.6 1 号墩右 12 482.5 12 921.7 9 243.4 10 989.5 2 号墩左 11 815.7 13 293.7 10 096.9 8 384.2 2 号墩右 12 078.2 12 380.0
12、 10 992.3 10 433.7 3 号墩左 11 081.4 11 639.5 9 306.2 8 567.8 3 号墩右 11 529.1 11 900.6 10 999.4 7 407.3 表 2主梁为 40 m 跨径时不同支座地震响应原始参数 改变支座刚度 k1 改变支座刚度 k2 位置 轴力 弯矩 轴力 弯矩 轴力 弯矩 1 号墩左 8 985.0 9 474.3 8 682.6 8 998.1 8 997.1 7 977.2 1 号墩右 8 800.1 9 804.5 8 547.3 8 618.9 8 595.5 8 958.7 2 号墩左 8 548.8 10 081.9
13、8 996.7 8 569.3 8 562.9 9 419.8 2 号墩右 8 189.8 9 613.3 8 857.0 7 786.6 8 254.8 9 511.0 3 号墩左 8 844.6 9 815.1 8 251.6 9 640.3 9 146.7 8 599.2 3 号墩右 8 958.8 10 266.9 9 020.6 9 162.7 9 104.4 9 077.8 151-科学技术创新 2023.24Analysis of the Influence of IsolationBearings on the Seismic Performance ofStructuresC
14、hen Min(Wuhan Optical Valley Construction Investment Co.,Ltd.,Wuhan,China)Abstract:The reasonable application of seismic isolation bearings can reduce the damage of bridgestructures under earthquake action.In order to promote the further development of seismic isolation technologyin the field of bri
15、dges,a two-span simply supported prestressed concrete box girder is taken as the object.The seismic response of the bridge under ordinary bearings and seismic isolation bearings is analyzed byfinite element model,and the seismic response of the bridge under different bearing parameters is comparedan
16、d analyzed.The results show that compared with the ordinary bearing,the seismic isolation bearing cangreatly reduce the seismic damage of the structure,and the two stiffness parameters of the bearing havedifferent effects on the side pier and the middle pier.Key words:bridge engineering;bearing;seis
17、mic isolation technology;seismic response同程度的减隔震效果,刚度 K1 对中墩影响程度大于边墩,刚度 K2 则相反。参考文献1董俊.九度强震区高铁简支箱梁减隔震体系研究J/OL.铁道标准设计:1-62023-03-25.2闫凯.高烈度地区减隔震桥梁动力性能优势分析J.科学技术创新,2022(32):145-148.3邵长江,崔皓蒙,漆启明,等.近远场地震下 RC 大跨轻柔拱桥减隔震支座方案优化 J/OL.西南交通大学学报:1-102023-03-25.4林聪聪.在用减隔震梁桥抗震结构安全风险评估D.廊坊:防灾科技学院,2022.5王良,易磊,周春,等.川藏铁路高烈度地震区简支梁桥摩擦摆支座减隔震性能研究 J.交通科技,2022(3):95-100.6金杰,余斌,张精岳,等.基于性能的大跨度中承式钢桁架拱桥减隔震设计J.公路,2022,67(6):129-134.7李永庆,王刚,樊冰冰.高地震烈度区大跨长联混凝土连续梁桥协同减隔震体系研究 J.公路,2022,67(4):172-176.152-