高烈度地震区公路不等高桥墩简支梁桥隔震支座的布置

高烈度地震区公路不等高桥墩简支梁桥隔震支座的布置
彭刚辉;郑史雄;贾宏宇
【摘要】对于高烈度地震区的公路不等高桥墩简支梁桥,在采用隔震橡胶支座进行隔震设计时,应考虑由桥墩高度差引起的桥梁不规则性,从而合理选用支座参数及其布置墩位.针对一5跨不等高简支梁桥选择4种支座,共考虑了31种支座布置工况,利用ANSYS软件对全桥建立了简化的力学数值计算模型,并采用非线性时程法分析了简支梁桥在地震作用下的动态响应.分析结果表明:不同的支座布置方式会影响桥梁结构的动力特性、桥墩底部的弯矩、剪力及墩顶位移;建议采用墩底弯矩和剪力的减震率总和来判断各支座布置工况的隔震效果,达到对支座布置进行优化的目的,进而提高全桥的整体隔震水平.%According to a highway simple supported girder bridge with unequal high piers in high intensity earthquake area,in order to reasonably select the support parameters and layout the piers, the bridge irregularity caused by the difference of pier height should be taken into account in the design of seismic isolation rubber bearings. In view of a five spans unequal height simply supported girder bridge, four bearings were selected and thirty-one kinds of support arrangement conditions were taken into account.A simplified mechanical model of the whole bridge was established by using ANSYS software.The dynamic response of simply supported girder bridge under earthquake action was analyzed by using the nonlinear time history method.The analysis results indicate that the different bearing arrangement will affect the dynamic characteristics of the bridge structure,the bending moment and shear of the pier bottom,the displacement of the pier top.It is suggested to adopt the sum of seismic-
reduction rate of bending moment and shear at the pier bottom to determine the isolation effect of the bearing arrangement condition,so as to optimize the bearing arrangement and improve the overall seismic isolation level of the whole bridge.
【期刊名称】《铁道建筑》
【年(卷),期】2017(057)010
【总页数】3页(P15-17)
【关键词】公路桥梁;支座优化布置;数值计算;隔震橡胶支座;非线性时程法
【作者】彭刚辉;郑史雄;贾宏宇
【作者单位】成都理工大学工程技术学院,四川乐山 614000;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031【正文语种】中文
【中图分类】U443.36+1
随着经济持续增长及国家交通发展战略的大力推进，为带动区域经济的快速发展，尤其是偏远山区的经济发展，在高烈度山区建设的桥梁越来越多。

受地形、地貌、地质条件等因素的限制，与一般的平原地区有所不同，立面设计时桥墩的高度差较大，属于典型的不规则桥梁[1-2]。

此类桥梁在地震作用下的地震响应要比规则桥梁复杂得多，更容易发生损坏，采用隔震的设计方法可以有效地减小桥梁在地震中的作用效应，能起到有效保护桥梁的目的[3]。

国内外关于桥梁隔震设计在布置隔震支座时所采用的支座几乎都是一样的，未考虑不同参数的隔震支座对不规则桥梁产生的影响。

本文以一座高烈度山区不规则桥梁为例来研究隔震支座的不同布置方
式对桥梁结构地震响应的影响[4]。

本文采用四川汶川境内的一座桥梁为例来建模，其跨径布置为5×50 m，梁体采用C50混凝土，其截面形式为T形梁；桥墩采用C35混凝土，其截面为变截面,1#～4#桥墩墩身高度分别为50，28，16，10 m，其高度差较大，为不规则桥梁，可
采用隔震设计[5]，见图1。

有限元模型的建立及分析采用ANSYS软件，主梁及桥墩均采用梁单元，阻尼模型采用瑞利阻尼，地震动输入采用一致激励作用，主要分析顺桥向的地震动对桥梁结构的影响。

考虑到桥梁所在地为汶川境内，为使计算的数据更加可靠、精准，选用汶川地震波进行抗震计算，并采用非线性时程法来进行抗震分析[5-6]，分析过程未考虑桥台的作用。

隔震支座采用铅芯隔震橡胶支座，
其参数根据规范《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》(JT/T 822—2011)取值[7-8]。

根
据荷载作用和支座的承载能力选用了3种隔震支座和1种普通的非隔震支座，其
参数见表1。

根据4种不同的支座，对4个桥墩按排列组合的方式共布置了31种支座布置工况，见表2。

其目的是分析在地震作用下不同的支座布置方式对桥梁结构地震响应的影响。

为了便于说明上述工况的隔震效果，引入减震率的概念，减震率的含义包括2点：①隔震橡胶支座的减震率定义为采用隔震橡胶支座后的地震反应与采用普通支座时地震反应相比降低的百分比；②减震率的控制参数为墩底的剪力或弯矩，其计算公式如下
式中：ηi为减震率；MLRB为铅芯橡胶支座时对应的墩顶弯矩值；MRB为普通支座时对应的墩顶弯矩值；QLRB为铅芯橡胶支座时对应的墩顶剪力值；QRB为普
通支座时对应的墩顶剪力值。

对梁式桥的震害调查表明：在地震中桥墩的抗震问题要比主梁严重得多[9]。

本文
的主要研究对象为桥墩高度差异较大的不规则桥梁，因此，以下的计算分析只针对桥墩的地震响应。

见图2和图3。

图2(a)所示为桥梁结构在不同工况下的基本周期，不同的工况对应的结构周期不同，说明支座布置会影响桥梁结构的动力特性。

从前30个工况来看，周期最大值与最小值相比，差值幅度为23.5%。

同时，工况31的结构周期比其余工况的周期小得多，表明采用隔震支座会较大幅度地延长桥梁结构的基本周期，在地震作用下可消耗掉部分地震能量，有利于减小地震对桥梁产生的作用。

从图2(b)中可以看出，地震作用下各桥墩底部在不同的支座布置工况下所产生的弯矩及剪力最大值都不同，1#～4#桥墩底部弯矩最大值与最小值相差幅度分别为14.2%，21%，
13.4%，17.1%。

1#～4#桥墩底部剪力最大值与最小值相差幅度分别为15.9%，15.2%，13%，7.8%。

说明在地震作用下，不同的支座布置工况对桥墩底部产生
的地震响应是不相同的。

同时也可以看出，1#桥墩底部的弯矩及剪力最大，4#桥
墩底部弯矩及剪力最小，这说明桥墩底部弯矩及剪力与墩身高度有关。

综上所述，桥墩底部在地震作用下产生的弯矩及剪力既与桥墩高度有关，又与隔震支座的布置情况有关。

从图2(c)中可知，不同的支座布置工况下其墩顶相邻梁体位移差峰值不相同。

前
30个工况中，1#～4#桥墩墩顶相邻梁体位移差峰值的最大值与最小值相差幅度分别为29.8%，42.2%，34.3%，39.3%。

在同一工况下，1#～4#桥墩墩顶相邻梁
体位移差峰值依次减小，说明桥墩越高，相邻梁体位移差峰值也越大。

同时，支座布置工况31的计算结构模型中，其墩顶相邻梁体位移差峰值均要比其余工况的小，说明采用隔震支座会增大相邻梁体的位移差值。

1#～4#桥墩墩顶相邻梁体位移差
峰值最大值为47.1 mm，均小于表1中隔震支座的容许位移，满足要求。

图3(a)，3(b)分别为墩底弯矩、剪力减震率，同一桥墩在不同支座工况布置下的减震率不同，同一种支座工况对应不同桥墩的减震率也不同，说明减震率既与桥墩高
度有关，又与支座的布置情况有关。

为了便于分析判断出各支座布置工况的综合隔震效果，需同时考虑弯矩及剪力的减震率，如图3(c)所示，它表示弯矩及剪力减
震率的总和，各工况下的总减震率最大值与最小值的差值幅度为27.3%，反映出
支座布置在桥梁整体隔震效果方面产生的差异较大，必须引起重视。

1)不同的支座布置工况会产生不同的桥梁结构动力特性，且隔震支座会较大幅度地延长桥梁结构的基本周期，但同时也会增大相邻梁体的位移差。

2) 墩底的弯矩和剪力、相邻梁体位移差以及前两者的减震率都随支座布置工况的
不同而不同，说明隔震支座的布置方式会影响墩底内力及墩顶的位移。

3)建议采用墩底弯矩和剪力的减震率总和来判断各支座布置工况的隔震效果，可确定最佳的支座布置方式，提高全桥的整体隔震水平。

【相关文献】
[1]范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社，2001.
[2]梁彬.公路桥梁铅销橡胶支座优化设计及其减隔震效果研究[D].西安:长安大学,2008.
[3]吴迪,黄泽军,周福霖,等.桥墩高度对桥梁隔震性能的影响研究[J].土木工程学报，2014,47(增2):328-333.
[4]彭刚辉.高烈度山区连续刚构——简支梁体系桥地震反应分析[D].成都:西南交通大学,2009.
[5]中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008 公路桥梁抗震设计细则[S].北京:人民交通出
版社，2008.
[6]王进,蒋信萍,石岩,等.山区连续梁桥隔震设计研究中的体型因素探讨[J].公路交通科技(应用技术版)，2014(6):284-286.
[7]中华人民共和国交通运输部.JT/T 822—2011 公路桥梁铅芯隔震橡胶支座[S].北京：人民交通出
版社，2011.
[8]庄军生.桥梁支座[M].北京：中国铁道出版社,2015.
[9]王彤,王炎,谢旭,等.不等高桥墩铁路减隔震桥梁钢阻尼支座地震易损性[J].浙江大学学报(工学版)，2014,47(11):1909-1916.。