連續(xù)梁橋減震設(shè)優(yōu)化設(shè)計研究

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摘要：連續(xù)梁橋是當前主流的橋梁結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計通常采用減震結(jié)構(gòu)。通過采用鉛芯橡膠支座的減震方法，以某4跨連續(xù)梁為例，基于現(xiàn)有的連續(xù)梁橋相關(guān)研究及橋梁抗震理論，利用大型分析軟件MidasCivil建立連續(xù)梁橋模型，并對鉛芯橡膠支座的模擬方法進行了詳細的闡述，同時采用時程響應(yīng)分析確定連續(xù)梁橋的動力特性及抗震性能研究，確定鉛芯橡膠支座的抗震設(shè)計的主要控制參數(shù)，并進行優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；時程分析；減震；優(yōu)化設(shè)計

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或多個鉛銷以幫助其在地震來臨時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，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力時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。滯回曲線：式中：F—合計彈簧力，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計算模型

以某連續(xù)箱梁橋33m+52.5m+52.5m+33m為例建立計算模型，全橋長171m。共設(shè)5個墩，均為矩形截面。采用MidasCivil建模時，主梁、橋墩采用空間梁單元進行模擬。該計算模型未考慮樁土相互作用及行波效應(yīng)和非線性，且只對上部結(jié)構(gòu)主控制斷面的位移和內(nèi)力進行分析比較。計算模型見圖2。

3計算分析

3.1地震激勵

根據(jù)已有的研究發(fā)現(xiàn)，分別對結(jié)構(gòu)進行縱向激勵、橫向激勵、橫向加豎向激勵、縱向加豎向激勵、縱向加橫向加豎向激勵抗震分析時，結(jié)構(gòu)在組合激勵下的反應(yīng)最不利。基于相關(guān)規(guī)范及研究，對連續(xù)梁橋地震激勵輸入時，選擇Ex+0.65Ey+0.85Ez即縱向+0.65豎向+0.85橫向，以ELCentro波作為地震激勵，因為本橋主跨為52.5m，因此可以采用一致激勵的地震反應(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)，獨立的作為支座的影響參數(shù)是不科學的。研究發(fā)現(xiàn)，鉛芯橡膠支座的直徑?jīng)Q定了其力學參數(shù)，同時地震響應(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性減震優(yōu)化分析時，以鉛芯直徑作為主要研究對象，根據(jù)《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T822—2011）初步確定圓形鉛芯橡膠支座尺寸，參數(shù)見表1。

3.3計算分析

3.3.1無減震支座結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)經(jīng)計算該橋的結(jié)構(gòu)自振周期為1.664s，所以在結(jié)構(gòu)進行時程分析時輸入的強震持續(xù)時間為16.64s。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，因此在進行不同鉛芯直徑的減震分析時，只列出順橋向位移。

3.3.2不同鉛芯直徑下支座結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對5種類型的鉛芯橡膠支座的連續(xù)梁橋進行地震響應(yīng)分析，各跨跨中順橋向位移見表3。通過對鉛芯橡膠支座的鉛芯直徑進行分析得出：（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)計允許位移0.1m，因此不用考慮支座失效后的建模問題。（2）采用不同型號鉛芯橡膠支座的連續(xù)梁橋在地震激勵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142mm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作用下的最大位移為順橋向位移，因此在抗震設(shè)計中應(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)計選擇鉛芯橡膠支座直徑時，應(yīng)通過計算分析，選擇合理的直徑，達到效果最佳，成本最優(yōu)。

參考文獻：

1謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2005：67-69.

2李振珂，斜拉橋地震響應(yīng)時程分析及減震優(yōu)化［D］.長安大學，2017.

3范立礎(chǔ)，王志強.橋梁減隔震設(shè)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

4沈國峰，連續(xù)梁橋鉛芯橡膠支座參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計研究［D］.中國地震局工程力學研究所，2016.

作者：趙凱 李福如 單位：山東高速工程檢測有限公司