減隔震支座在高烈度地區橋梁抗震設計中的應用（交通）

                                    曹  鵬

              （武漢市政工程設計研究院有限責任公司  武漢  430023）

 摘要傳統抗震設計設防目標主要為保證強度和變形，高烈度地區的橋梁為達到E2地震下設

 防標準，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、降低結構響應。文中對非隔震體系與減隔震體系的反應譜分析、時程分析下的響應進行對比，并考慮了邊界非線性、彈塑性，結果表明：在相同條件下，設計合理的減隔震支座能顯著提高抗震性能。

關鍵詞  減隔震支座  時程分析  邊界非線性  HDR

    目前，我國山區公路高架橋設計基本都以多跨簡支一連續梁為主，而該種多跨一聯的連續梁基本都是在一聯中的中間位置設置一個固定支座，限制一聯梁的縱向位移，同時也不影響其縱向溫度力的傳遞和釋放。但此舉會使全部地震慣性力都作用在一個固定墩上，導致固定墩的設計較其他墩強大很多，同時其下部的樁數增加，墩柱、樁基設計由抗震組合控制。

    傳統抗震技術路線是彈性抗震設計，用構件的強度作為衡量結構性能的指標，確保構件的強度滿足抗震需求。減隔震設計其原理為隔離上下部結構地震作用，延長結構基本周期，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：某山區高速公路共布置有十聯5×20 m先簡支后連續預應力混凝土小箱梁橋，全長1100 m，采用雙幅橋設計，單幅橋由4片預制小箱梁組成，地震動峰值加速度0. 30g，橋址處于8度地震區，B類橋梁，按9度設防。墩高10 m，樁柱式橋墩，墩柱直徑1.3 m，柱接單排樁，按II類場地計算。地震動輸入：根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306 - 2001)、《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)．本項目橋梁屬于B類橋梁，地震動峰值加速度為0. 30g，地震基本烈度為80，反應譜特征周期0. 45s，場地系數1.0。

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

    根據板式橡膠支座的試驗結果，將板式橡膠支座的恢復力模型取為直線型，近似按最大的剪切應變和頻率來確定支座的剛度。根據活動盆式支座的動力滯回曲線試驗，將其恢復力模型取為類似于理想彈塑性材料模型。

1  反應譜分析

    基于反應譜分析的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）下結構的響應表現出一定的差異。

1.1 2種體系的一階振型對比

    規則橋梁的地震反應以一階振型為主，上部結構對下部結構的地震作用，可簡化通過第一階振型計算。2種體系第一階振型對比見圖1，2。

    結論：對比2種體系的一階振型，盆式支座體系其縱向邊界條件為1個固定支座十若干滑動支座；這種方式導致結構受力不均勻，設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，且極大地耗散了地震的水平作用。

1.2    E2地震作用下2種體系墩身截面內力對比

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

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

體系的墩身內力對比。

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

2抗震驗算

2.1墩底塑性區抗剪能力驗算

墩柱塑性鉸區域沿順橋向、橫橋向的斜截面抗

結論：E2地震下，非隔震狀態和普通板式支座狀態橫橋向的塑性區域斜截面剪力設計值大于抗剪強度，墩柱在地震作用下會發生脆性剪切破壞，不滿足墩柱延性設計要求；HDR隔震支座狀態塑性區域斜截面剪力設計值均小于抗剪強度，滿足墩柱延性設計要求。

2.2橋墩延性驗算

    墩頂順橋向位移驗算，驗算結果見表2。

  結論：E2地震下，HDR隔震支座和普通板式支座狀態墩頂順橋向位移小于墩柱順橋向容許位移，滿足墩柱延性設計要求；盆式支座狀態固定墩頂順橋向位移大于墩柱順橋向容許位移，不滿足墩柱延性設計要求。

2.3支座抗滑穩定性

    驗算結果見表3。

 結論：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算要求，支座在地震下會發生剪斷、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算要求，支座在地震下會發生剪斷、破壞或失效；HDR隔震支座水平地震力小于容許水平力，支座滿足抗滑穩定性要求。

 抗震驗算結果表明：采用了HDR隔震支座的減隔震結構能滿足抗震需求，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時程分析

 為驗證減隔震體系橋梁設計方案的有效性，采用非線性動力時程分析法，輸入類似場地的實錄波，對采用HDR隔震支座體系結構的地震響應進行動力分析。

3.1動力分析模型質量模擬

 動力分析模型質量的模擬方法采用集中質量矩陣法，假定單元的質量集中在節點上，在相同精度要求條件下，質量矩陣可用較低階插值函數，還可以減少方程自由度。

3.2  動力分析模型邊界條件模擬

 程序中采用質量和剛度因子法。板式橡膠支座采用線性彈簧連接單元模擬，活動盆式支座采用摩擦擺隔震裝置來模擬，對于鉛心橡膠支座，根據其滯回曲線，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動取m靜的2倍。

3.3計算模型

 箱梁、蓋梁、橋墩、樁基均采用空間梁單元模擬，沿順橋向、橫橋向，雙柱墩的端部區域為塑性鉸區域。根據塑性鉸所在截面的混凝土強度、截面尺寸、配置的縱筋和箍筋，混凝土材料根據混凝土強度等級采用mander模型的應力一應變關系曲線，計算截面的M-cp關系曲線、塑性鉸長度，彈塑性鉸的類型定義為纖維模型，可準確模擬受彎構件的力學特性，考慮截面內纖維的局部損傷狀態。

3.4計算結果

 HDR隔震支座體系的時程響應見圖7～8。結論：與靜力方法的反應譜分析結果相比，考慮了邊界、材料的非線性時程分析結果表明，下部結構進入彈塑性后，構件剛度退化，內力響應變化不大，而位移響應變化較大。時程分析的結果更趨近實際情況。

4結論

(1)對比非隔震體系、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，且極大地耗散了地震的水平作用。

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

(3)墩底塑性區抗剪能力驗算、墩頂順橋向位移驗算、支座抗滑穩定性均表明HDR能滿足抗震需求，而板式橡膠支座、盆式支座在E2地震下可能發生破壞。綜上所述，設計合理、可靠的減隔震支座可以提高結構抗震性能。

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