铅芯橡胶支座在曲线箱梁桥的适用性研究

2017-07-20意周

四川水泥 2017年6期

关键词：盆式铅芯墩底

凌意周康

（1、2贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 550081）

铅芯橡胶支座在曲线箱梁桥的适用性研究

凌意1周康2

（1、2贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 550081）

本文以一座城市立交匝道桥为背景，以墩底内力和联间梁端相对位移为评价指标，对铅芯橡胶减隔震支座在曲线箱梁桥中的适用性展开研究，结果表明，铅芯橡胶支座能大幅降低桥梁结构的地震响应，同时该支座能让各桥墩更好地共同工作,减小联间梁端的顺桥向相对位移。铅芯橡胶隔震支座的屈服力及硬化比参数对墩底内力隔震效果影响显著。

曲线钢箱梁桥；时程分析；铅芯橡胶支座；地震响应

1.引言

支座减隔震是有效减小曲线桥梁结构地震破坏的方法之一。目前，常见的减隔震支座包括板式橡胶支座、高阻尼隔震橡胶支座[1]、铅芯橡胶支座、摩擦摆隔震支座等。其中铅芯橡胶支座具有隔震效果好、维修和可更换性能优异等优点，本文主要研究铅芯橡胶支座的隔震效果及其支座参数的敏感性。

2.工程背景及计算模型

本文选取一三联八跨立交匝道为工程背景，其跨径组合为(3×20m)混凝土箱梁+(40m+36.5m)连续钢箱梁+(3×20m)混凝土箱梁，总计196.5m。截面为单箱单室，全宽8.7m，混凝土箱梁梁高为1.6m，钢箱梁梁高为1.8m，曲线半径为145m。桥墩采用独墩双支座，支座间距为3m，沿结构中心线对称布置，墩高在14.1～15.3m之间，墩号沿里程前进方向顺序为21-29号。桥址处抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.20g，工程场地类别为II类，该桥抗震设防分类为乙类，加速度反应谱特征周期为0.40s。

本文采用MIDAS/CIVIL分别建立设普通盆式橡胶支座和铅芯橡胶支座的全桥三维有限元模型。主梁和桥墩均采用空间梁单元模拟，铅芯橡胶支座采用“橡胶隔震装置模拟”；盆式橡胶支座采用弹性连接模拟。

图1 盆式橡胶支座布置方式

减隔震支座型号根据反力计算结果选择。盆式橡胶支座有固定支座、单向活动支座、双向活动支座之分，支座及桥墩布置见图1。铅芯橡胶支座无固定支座与滑动支座之分，其支座参数选择见表1。

表1 铅芯橡胶支座参数一览表

3.动力分析

3.1动力分析方法

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTGT B02—01—2008）和《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[2~3]桥梁动力分析方法有反应谱、时程分析两种方法。结合场地情况和规范，本文采用非线性时程分析方法来计算结构的地震响应。由于缺少当地实测地震波数据，本文根据反应谱数据，采用综合调整法，使采用的地震波满足地震动频谱特性、有效峰值以及地震波的持续时间3个基本选波条件。选取的地震波见表2，地震波计算持续时间取40s，时间步长为0.02s。

表2 地震波参数

3.2地震输入工况

曲线梁桥地震响应计算存在最不利输入方向问题[4]，《城市桥梁抗震设计规范》规定可沿相邻两桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多方向地震输入。本文经过试算，当激励方向沿着25号墩的径向时，桥墩的横桥向内力及横桥向联间梁端相对位移有最不利值，因此选择此方向作为地震波的最不利激励方向。

4.地震响应计算及分析

4.1桥墩内力

铅芯橡胶支座的隔震效果采用隔震率[5]指标体现，其具体计算公式为

式中：R为减震后内力最大响应，S为减震前（盆式橡胶支座）结构的最大响应。

图2 墩底弯矩My

图3 墩底弯矩Mz

图2 、图3列出了盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座桥梁模型沿25号径向、Tar_90_nor地震波作用下所有桥墩的墩底弯矩峰值。从图中可以看出，在该波的E2时程下盆式橡胶支座下桥墩的内力峰值过大，靠增加截面尺寸“硬扛”地震荷载是不经济甚至现实不可行的。减隔震支座的应用能大幅降低各桥墩的内力。使用铅芯橡胶支座横桥向、顺桥向内力减震率分别为67.4%~83.9%、5.8%~73.8%；铅芯橡胶支座对横桥向内力隔震效果一致高于顺桥向，而顺桥向设固定支座的3个墩（23、25、27号）的减震率明显高于其余桥墩。原因是设固定支座会增加支座的刚度，减小结构的自振周期，且刚度越大，地震中该支座所在墩将分担更多的荷载。同时，减隔震支座还能使各墩内力趋于均匀，在设计上，这有利于桥墩截面尺寸的统一。对类似的小半径曲线梁桥，铅芯橡胶支座能起到良好的减隔震效果。

4.2梁端相对位移

考虑到本桥结构近似对称，钢梁与混凝土梁之间梁端相对位移仅列出24号交接墩结果。表3列出了Tar_90_nor波作用下各支座模型24号交接墩位置处联间梁端的相对顺桥向位移和横桥向错动情况。

表3 各支座类型桥梁模型梁端相对位移单位：cm

从表3可知，相比盆式橡胶支座桥梁模型，采用铅芯橡胶支座能大幅减小交接墩处联间的顺桥向相对位移，但会带来联间横桥向错动。原因在于减隔震支座能延长结构的自振周期，使混凝土梁和钢梁在顺桥向的振动更加协调；采用盆式橡胶支座的混凝土梁及钢梁在24号位置横桥向都设有固定支座，因而没有横桥向梁端错动。

5.铅芯橡胶减隔震支座参数分析

5.1硬化比

硬化比是屈服后刚度与弹性刚度的比值。本文铅芯橡胶支座硬化比选择了0.09、0.12、0.15、0.18、0.21五种。各参数模型在tar_90_nor波的E2时程沿25#径向激励下，23#、25#、27#墩底内力峰值内力变化规律如图4所示。

5.2屈服力比值

屈服力是支座从弹性刚度进入屈服刚度的临界剪力。考虑到本文铅芯橡胶支座因型号差异而存在多个屈服力，文中以原支座屈服力（见表1）为准，分别建立屈服力比值为原屈服力0.6、0.8、1、1.2、1.4的五种模型。各参数模型在tar_90_nor波的E2时程沿25#径向激励下，23#、25#、27#墩底内力峰值内力变化规律如图5所示。

图4 23#、25#、27#墩底弯矩Mz图5 23#、25#、27#墩底弯矩Mz

从图4、图5可以得出：随着铅芯橡胶支座硬化比从0.09~0.21变化，23#、25#、27#墩底横桥向内力呈现出先减后增最后趋于平缓形的变化趋势，25#墩底弯矩改变幅度最大，变幅为35.6%，因此选用硬化比为0.15时，能使23#、25#、27#墩墩底横桥向弯矩更合理；随着铅芯橡胶支座屈服力比值从0.6~1.4变化，23#、25#、27#墩底横桥向内力呈现出先减后增再趋于平缓的变化趋势，25#墩底弯矩改变幅度最大，变幅为40.5%；屈服力比值1时，能使23#、25#、27#墩墩底横桥向弯矩更合理。