連續梁橋減震設優化設計研究

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摘要：連續梁橋是當前主流的橋梁結構，抗震設計通常采用減震結構。通過采用鉛芯橡膠支座的減震方法，以某4跨連續梁為例，基于現有的連續梁橋相關研究及橋梁抗震理論，利用大型分析軟件MidasCivil建立連續梁橋模型，并對鉛芯橡膠支座的模擬方法進行了詳細的闡述，同時采用時程響應分析確定連續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計的主要控制參數，并進行優化設計。

關鍵詞：連續梁橋；時程分析；減震；優化設計

1概述

隨著國家大力建設交通基礎設施，橋梁數量不斷增加，截止2019年底，全國公路橋梁87.83萬座，其中連續梁橋占了較大比例。近年來，地震發生比較頻繁造成了很大的經濟損失和人員傷亡，而橋梁作為重要的生命線工程之一，在抗震救災中起到的作用是非常巨大的[1]。因此開展連續梁橋的抗震及優化有著重要的意義。

2連續梁橋模型的建立

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構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，根據其較大的屈服能力，吸收耗散能量，產生較大的塑性變形，延長結構的周期[2]。除此之外，橡膠與鉛芯相互組合能夠使結構產生一定的水平恢復力。鉛芯橡膠支座通過上述的組合效應能夠減小結構的地震響應。依據結構在設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的內力，kN；F2—彈簧K2的內力，kN；Q—界限力，kN；S1—彈簧K1的有效伸長，m。

2.2計算模型

以某連續箱梁橋33m+52.5m+52.5m+33m為例建立計算模型，全橋長171m。共設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和非線性，且只對上部結構主控制斷面的位移和內力進行分析比較。計算模型見圖2。

3計算分析

3.1地震激勵

根據已有的研究發現，分別對結構進行縱向激勵、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，結構在組合激勵下的反應最不利。基于相關規范及研究，對連續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分析。

3.2支座參數選擇

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、相互關聯，獨立的作為支座的影響參數是不科學的。研究發現，鉛芯橡膠支座的直徑決定了其力學參數，同時地震響應的關鍵控制因素，其橡膠的直徑與剪切模量對于抗震作用較小。因此，在連續梁橋采用鉛芯鉛芯橡膠支座進性減震優化分析時，以鉛芯直徑作為主要研究對象，根據《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，參數見表1。

3.3計算分析

3.3.1無減震支座結構地震響應經計算該橋的結構自振周期為1.664s，所以在結構進行時程分析時輸入的強震持續時間為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構地震響應對5種類型的鉛芯橡膠支座的連續梁橋進行地震響應分析，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結語

（1）連續梁橋在三向地震激勵作用下的最大位移為順橋向位移，因此在抗震設計中應優先考慮順橋向抗震。（2）采用鉛芯橡膠支座能夠有效地減少結構的地震響應，隨著直徑的增加效果趨于平緩。在抗震設計選擇鉛芯橡膠支座直徑時，應通過計算分析，選擇合理的直徑，達到效果最佳，成本最優。

參考文獻：

1謝旭.橋梁結構地震響應分析與抗震設計［M］.北京：人民交通出版社，2005：67-69.

2李振珂，斜拉橋地震響應時程分析及減震優化［D］.長安大學，2017.

3范立礎，王志強.橋梁減隔震設［M］.北京:人民交通出版社，2001.

4沈國峰，連續梁橋鉛芯橡膠支座參數的優化設計研究［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