高烈度强震区典型公路简支梁合理减隔震体系分析

为 防 止 类 似 5 . 1 2 汶 川 地 震 、4 . 2 0 芦 山 地 震 、 8.03鲁 甸 地 震 灾 害 中 大 量 简 支 梁 桥 梁 发 生 特 别 严 重 的 破 坏 ，影 响 震 后 救 灾 工 作 ，防 止 次 生 灾 害 的 发 生 ，急 需 深 入 研 究 适 用 于 高 烈 度 强 震 区 高 速 公 路 桥 梁 合 理 有 效 且 经 济 适 用 的 减 隔 震 体 系 ，确 保 这 些 最 常 用 的 简 支 梁 桥 具 有 优 良 的 抗 震 性 能 ，对 于 预 防 和 减 轻 西 南 山 区 桥 梁 地 震 灾 害 有 重 要 的 实 际 价 值 ，也 具有迫切的客观工程需要m 。
收稿曰期：2020-12-16 作者简介：甘露0989—) , 男 .硕 士 ，工程师，从事桥粱 设计工作。
震体系方案。
1 桥梁减隔震措施及本构模型
1 . 1 简支梁桥减隔震方案 减 震 控 制 技 术 的 应 用 ，不 仅 可 以 提 高 桥 梁 的 抗 震
性 能 ，还 可 以 节 省 造 价 ，从 某 种 意 义 上 来 说 ，这 是 解 决 实际结构抗震问题最为有效的途径之一。
摘 要 ：为研究高烈度 强 震 区 高 速 公 路 简 支 梁 桥 合 理 减 隔 震 体 系 ，以 8 度 地 震 区 某 高 速 公 路 典 型 40 m 简 支 T
梁 为 工 程 背 景 ，提 出 了 多 种 减 隔 震 方 案 ，研究了各方案的本构模型，运 用 非 线 性 时 程 分 析 法 ，对比分析了 8 度 和 9
度地震下各种减震体系对桥梁关键构件的减震效果。研 究 表 明 ：E2 地 震 作 用 下 ，采用双球面减隔震支座措施时，
不 能 有 效 控 制 支 座 位 移 ，存 在 落 梁 的 风 险 ；而 采 用 高 阻 尼 橡 胶 支 座 可 显 著 降 低 桥 墩 、桩 基 内 力 ，有效控制梁端位
移 ，该方案适用于高烈度地震区高速公路简支梁抗震，研究成果可为近断层高速公路简支梁桥的抗震设防提供
本文以西南山区某8 度地震区典型公路简支梁 为 研 究 背 景 ，选 取 4 x 4 0 m 跨 度 简 支 梁 桥 为 研 究 对 象 ，建 立 了 全 桥 空 间 有 限 元 模 型 ，开 展 了 简 支 梁 桥 的 合 理 减 隔 震 体 系 研 究 ；对 比 分 析 了 多 种 减 隔 震 措 施 下 桥 梁 在 8 度 和 9 度 地 震 作 用 下 的 动 力 响 应 ，对桥 梁的抗震性能进行了综合评估，比选出最优的减隔
表 1 普通球型钢支座参数表
型号
水平承载力 摩擦系转角
/kN
数Z-1500ZX 1650 0.04 0.02 150
10
P
Qr
/kN /kN
1 521 90.3
表 2 双曲面球型减隔震支座参数表
S
A：.
K rf{
Da
/mm /( kN•mm'1) / (kN•mm-1) /(kN*mm"') /mm
下 部 结 构 桥 墩 采 用 等 截 面 矩 形 空 心 墩 ，截面 外轮廓 尺 寸 为 6.5 m x 3 m , 壁 厚 0.6 m , 纵 筋 为 H R B 400,截 面 配 筋 率 1 . 4 2 ^ ，桥 墩 混 凝 土 为 C 4 0 ,场 地 特 征 周 期 为 0 .4 5 s ，l # ~ 5 # 桥 墩 墩 髙 分 别 为 4 6 . 2 m 、4 6 .3 m 、 4 6 .2 m 、4 6 .6 m 、4 6 .5 m 。粧 基 深 度 4 0 m ，粧 径 为 2 m ; 场 地 类 型 为 I丨类，普 通 球 型 支 座 、双 球 面 减 隔 震 支 座 、高 阻 尼 橡 胶 支 座 力 学 参 数 分 别 见 表 1 、表 2 、表 3 。
双曲面摩擦摆支座的本构模型采用摩擦摆支座 非 线 性 本 构 模 型 进 行 模 拟 ，可 考 虑 摩 擦 系 数 变 化 对 支 座 摩 擦 力 的 影 响 ，其 本 构 关 系 如 图 4 所 示 。
2 工程实例
2 . 1 工程概况及有限元模型 以 西 南 8 度 地 震 区 某 高 速 公 路 典 型 4 x 40 m 简
• 91 .
甘 露 ：高 烈 度 强 震 区 典 型 公 路 简 支 梁 合 理 减 隔 震 体 系 分 析
2021年 第 6 期
2 8 条 ，图 6 给 出 了 部 分 人 工 地 震 波 时 程 曲 线 以 及 其 对应的反应谱与规范谱对比图。
甚-
10
20
30
40
时 间 r/s
20
30
40
时 间 r/s
10*1
10°
10'
周 期 r/s
(b )9度 E2 人工波1
图 6 部分人工合成地震波及人工波反应谱与规范谱对比图
2 . 3 各种减隔震方案下桥梁非线性动力时程响应对
比分析
为研究不同减隔震方案对典型高速公路桥梁各
关 键 部 位 （墩 底 内 力 和 支 座 位 移 ）的 减 震 效 果 ，以 方
双 曲 面 球 型 减 隔 震 支 座 （简 称 F P B 支 座 ）减 震 耗 能 主 要 是 通 过 上 、下 两 个 平 面 摩 擦 副 发 生 相 对 滑 动 实 现 的 ，在 地 震 作 用 时 ，支 座 销 钉 将 抵 抗 地 震 力 使 支 座 不 发 生 变 形 ，当 地 震 力 大 于 支 座 销 钉 剪 断 力 时 ，销 钉 剪 断 ，支 座 开 始 发 生 滑 移 ，两 个 摩 擦 副 相 对 摆 动 滑 移 ，实 现 地 震 位 移 变 形 和 耗 散 地 震 能 量 [31。
注 初 始 刚 度 ；*:2_ 屈 服 后 的 刚 度 ； 一 等 效 刚 度 ；
xT r _ 屈 服 水 平 位 移 — 屈 服 水 平 剪 力 ；; — 最 大 水 平 位
移 ；( ? _ 最 大 水 平 位 移 对 应 的 剪 力 。
图 3 HDR支座本构模型 1 . 4 双曲面球型减隔震支座
为了研究9 度地震区髙速公路简支梁桥合理的 减 隔 震 方 案 ，并 且 考 虑 经 济 性 、可 行 性 、稳 定 性 等 因 素 ，拟 开 展 三 种 减 隔 震 方 案 作 为 9 度 地 震 区 典 型 公 路 简 支 梁 合 理 减 隔 震 措 施 比 选 方 案 ：普 通 球 型 支 座 （方 案 一 ，图 1 ( a ) ) 、高 阻 尼 橡 胶 支 座 （方 案 二 ，图 1 ( b ) ) 、 双 曲 面 减 隔 震 支 座 （方 案 三 ，图 1 ( c ) ) 。方 案 一 属 于 传 统 桥 梁 “ 硬 抗 型 ” 抗 震 措 施 ，下 文 将 方 案 二 、三 与 方 案 一 进 行 对 比 ，研 究 适 用 于 9 度 地 震 区 的 减 隔 震 方 案 。
技术支撑。
关键词：桥梁工程；简 支 梁 桥 ；高速公路；高烈度地震区
中图分类号：U442.5
文献标志码： A
文 章 编 号 ：1 0 0 9 - 7 7 1 6 ( 2 0 2 1 ) 0 6 - 0 0 9 0 - 0 5
0 引言
近 年 来 我 国 西 南 山 区 地 震 频 繁 ，桥 梁 作 为 公 路 交 通 网 络 工 程 的 主 要 组 成 部 分 ，在 地 震 灾 害 中 很 容 易 发 生 损 伤 破 坏 ，2 0 0 8 年 汶 川 地 震 中 四 川 省 就 有 6 1 4 0 多 座 桥 梁 受 损 ，2 0 1 0 年 玉 树 地 震 中 青 海 省 就 有 1 7 2 座 桥 梁 损 毁 ，2 0 1 3 年 芦 山 地 震 中 四 川 有 4 4 0 座 桥 梁 损 毁 ，这 些 震 害 表 明 强 震 作 用 对 桥 梁 破 坏 严 重 ，特 别 是 对 大 量 的 中 、小 跨 径 简 支 体 系 桥 梁 的 破 坏 更是十分普遍。
第 6 期 (总 第 266期 ） 2021 年 6 月
4 科 5 杉浃 URBAN ROADS BRIDGES & FLOOD C O N TR O L
桥梁结构
DOI：10.16799/j .cnki.csdqyfh.2021.06.023
高烈度强震区典型公路简支梁合理减隔震体系分析
甘露 [上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上 海 市 200125]
K ,.=f 注 ：妒 一 竖 向 荷 栽 ； ,.— 初 始 刚 度 ，尺
;队 一 屈 服 位
f 移 ； — 支 座 摆 动 刚 度 ，/^p,= )。
图 4 双曲面摩擦摆支座的本构模型 支 梁 桥 为 研 究 对 象 ,上 部 结 构 采 用 40 m 后 张 预 应 力 混 凝 土 预 制 T 梁 ，桥 梁 共 分 两 幅 , 单 幅 桥 面 宽 度 12.5 m,
(a )方案一
（b )方案二
图 1 三种支座结构示意图
1 . 2 球形钢支座本构模型
（c )方案三
目前球型钢支座在公路和铁路桥梁结构中应用 较 为 广 泛 ，其 承 载 力 强 、转 动 灵 活 、转 角 大 、耐 久 性 好
等 优 点 。它 既 能 够 将 上 部 结 构 载 荷 均 匀 的 传 递 给 下 部 结 构 ，又 可 以 利 用 自 身 摩 擦 副 实 现 墩 梁 的 相 对 平 动 和 转 动 。 依 据 《公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范 》(J T G /T 2 2 3 1 -
根 据 算 例 桥 所 处 场 地 类 型 ，依 据 《公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范 》 (JTG T2231-01— 20 2 0 ) 给 出 的 设 计 反 应 谱 参 数 曲 线 ，采 用 数 值 模 拟 方 法 生 产 8 度 0.3 g 和 9 度 0.4 g 相 应 的 E 1 和 E 2 人 工 地 震 波 各 7 条 ，共 计
4.7 19.21
0.12
1.4 150
P
Qr
/kN /kN
1 521 200
表 3 高阻尼橡胶支座参数表
S
Kr
K fpa
K f((
Da
/mm /(kN•mm"1) /(kN•mm"1) /(kN*mm_1) /mm
72
8.47
1.3
1.74 856
采 用 商 业 M i d a s 软 件 建 立 全 桥 模 型 ，主 梁 和 桩 基 采 用 梁 单 元 进 行 模 拟 ，考 虑 结 构 自 重 和 二 期 铺 装 的 质 量 ，桥 墩 采 用 纤 维 单 元 模 拟 ，桥 墩 混 凝 土 材 料 采 用 Ma m^e r 本 构 模 型 ，钢 筋 采 用 双 线 性 滞 回 本 构 模 型 叫 各种支座的本构模型按照第2 节对应模型进行模 拟 。 采 用 M idas软 件 中 的 钩 和 间 隙 模 拟 梁 与 梁 之 间 的 碰 撞 效 应 ，采 用 弹 性 刚 度 模 拟 桩 土 作 用 。全 桥 有 限 元模型如图5 所示。 2 . 2 地震动输入
祈 5 衫洪
1 . 3 高阻尼橡胶支座本构模型 高阻尼橡胶支座是目前公路桥梁应用较广泛的
减 震 支 座 ，其 是 高 阻 尼 橡 胶 与 钢 板 硫 化 而 成 ,具 有 较 强 的 阻 尼 特 性 ，在 地 震 作 用 下 ，可 较 好 的 耗 散 地 震 能 量 ，显 著 提 高 桥 梁 抗 震 性 能 。高 阻 尼 橡 胶 支 座 即 HDR 支 座 ， 根 据 《公 路 桥 梁 高 阻 尼 隔 震 橡 胶 支 座 》(J T /T 8 4 2 — 2 0 1 2 ) 和 《H D R 系 列 高 阻 尼 隔 震 橡 胶 支 座 》设 计 指 南 ，采 用 等 效 双 线 性 恢 复 力 模 型 模 拟 高 阻 尼 橡 胶支座的本构关系如图3 所示。
01 — 2 0 2 0 沪 ，固 定 球 型 钢 支 座 采 用 线 弹 性 刚 度 模 拟 ,
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2021年第6 期
甘 露 ：高 烈 度 强 震 区 典 型 公 路 简 支 梁 合 理 减 隔 震 体 系 分 析
活动球型钢支座采用双线性立项弹塑性弹簧单元模 拟 ，其 本 构 关 系 如 图 2 所 示 （F „ 表 示 屈 服 力 又 表 示 弹 性 刚 度 ，& 表 示 屈 服 后 刚 度 ）。