安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究

1 桥梁概况及空间整体模型的建立 某桥跨径 6×30 m，全桥共 2联，前 3 孔一联，后 3孔一联。 上部采用预应力混凝土先简支后桥面连 续 T梁，单孔横向 5片梁。 下部构造：桥墩采用柱式 墩、空心薄壁墩，Φ2.0 m、Φ2.2 m 钻孔灌注桩基础； 0# 桥台采用组合式桥台，Φ1.5 m 钻孔灌注桩基础； 6#桥台采用柱式桥台，Φ1.7 m钻孔灌注桩基础。 根据桥梁结构的总体构造布置，建立全桥动力 特性和地震反应分析的 3维有限元分析模型。 主梁、桥墩、横系梁、盖梁和桩模拟采用考虑剪 切变形的 3 维铁木辛克弹性梁单元，承台本应该是 实体建模，但因为在地震响应计算中，承台主要作 为质量单元参与地震响应贡献，所以承台也作为梁 单元处理，但质量仍然精确反映。 主梁采用梁格模 型，较精确地模拟了上部结构的刚度和质量。 要注 意的是，在大震作用下，虽然加装了隔震装置，但桥 墩仍很有可能进入抗弯屈服工作阶段，所以必须对 桥墩是否进入抗弯屈服进行判断。 如果发现墩身出 现塑性铰，应将墩身改为 3 维弹塑性梁单元重新进 行分析。 使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础。 将土 层分层离散为文克尔弹簧，离散后的等效弹性支承的 弹簧刚度 k，就等于弹性支承作用面积 A，（即单元高 度与基础计算宽度的乘积）与地基系数 C0的乘积，即 k=A×C0。 在离散等效弹性支承时，同一土层可根据精 度需要，将其分成若干部分，但在土层分界处，必须分 开。 将每一个分出的部分看成一个弹性支承，其作用 点就在该部分的合力作用点处。 据此可得： 安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究 王 勇 1，汪永兰 1，王 爽 2 （1.江苏省交通规划院有限公司，江苏 南京 210005；2.北京迈达斯技术有限公司上海分公司，上海 200233） 摘 要：在高地震烈度区的桥梁结构，设计时地震力起绝对控制作用，此时如果采取结构本身的“硬抗”不仅增加 设计负担，并且大量浪费原材料，同时增加了经济负担。 一般情况下，可采取“延性设计”和“减隔震设计”来达到 减震耗能的目的。 该文针对某 8 度区桥梁，采用国内外较常用的整体型减隔震装置———铅芯橡胶支座对其进行 减隔震设计，计算结果表明铅芯橡胶支座既能延长结构的周期，又能耗散地震能量，具有良好的减隔震效果，是 一种比较理想的减隔震装置。 关键词：桥梁工程；抗震性能；铅芯橡胶支座；轴力-弯矩相关屈服面；滞回曲线 中图分类号：U442.55 U443.36 文献标识码：A 文章编号：1672－9889（2011）04－0033－03 Research on Seismic Performance of Bridge with Lead Rubber Bearing Wang Yong1，Wang Yonglan1，Wang Shuang2 （1.Jiangsu Communication Planning and Design Insititute Co.，Ltd.，Nanjing 210005，China；2.Shanghai Branch of MIDAS Information Technology （Beijing）Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China） Abstract：Seismic force plays an absolutely control role in bridges design in high seismic intensity area. In this case，not only the burden of design and economic will be increased but also lots of materials will be wasted by the traditional design method. Generally，the purpose of damping could be achieved by "ductility design" and "seismic isolation design". LRB which is the overall seismic isolation device commonly used in domestic and international，has been applied to the bridge in district 8 degrees in this paper. The results show that the structural period could be extended and seismic energy is dissipated with LRB，which indicates that LRB has better isolation effect than others. In all，LRB is an ideal seismic isolation device which could be used in structure design. Key words：bridge engineering；seismic performance；lead rubber bearing；yield surface related to the axial force and bending moment；hysteresis curve 作者简介：王勇（1976-），男，安徽马鞍山人，高级工程师，主要从事桥梁设计及研究工作。 第 8 卷第 4 期 2011 年 8 月 Vol.8 No.4 Aug. 2011 现 代 交 通 技 术 Modern Transportation Technology 现 代 交 通 技 术 2011年 Ki=mb1（z+z0）hi 式中：Ki 为每层土弹簧的刚度系数；hi 为每层土的 厚度。 依据《公路桥梁抗震设计细则》第 6.3.8 条，动 力计算时， 土抗力的取值比静力大， 一般取 m 动为 2~3倍的 m 静，本文取 2.5m 静。 全桥空间有限元模型见图 1。 图 1 全桥空间有限元模型 2 铅芯橡胶支座及伸缩缝的模拟 根据分析目的的不同，铅芯橡胶支座大致可分 为 2 种模拟方式：（1）针对于振型分析、反应谱分析 等线性分析，一般采用具有等效刚度及等效阻尼比 的线性恢复力模型弹簧元；（2） 针对于非线性静力 分析、非线性时程等非线性分析，一般采用双线性 恢复力模型（如新西兰 MWD CDP818/A ）或修 正的双线性恢复力模型（如日本桥梁免震条例）。 国 内外很多学者对铅芯橡胶支座的力学参数进行了 研究，大部分的研究表明（如范立础《桥梁减隔震设 计》，吴彬、庄军生《铅芯橡胶支座的非线性动态分 析力学参数试验研究》，等）其主要力学参数在支座 剪应变时变化趋势明显变缓，而一般在地震作用下 支座剪应变都比较大。 所以目前在非线性分析中使 用较多的是常数型双线性恢复力模型。 本次地震响应分析的方法主要采用非线性时 程分析， 所以可以较真实地考虑支座的非线性行 为，支座的水平剪切恢复力模型见图 2。 图 2 支座水平方向双线性恢复力模型 本桥采用某厂提供的 270 mm×270 mm×141 mm 方形铅芯橡胶支座， 厂家提供的支座力学参数 见表 1。 表 1 支座力学参数表 在地震作用下，联与联之间的梁体在纵桥向可 能发生不同步振动，此时梁体间相对压缩位移若是 超过了梁缝的初始间距，两联间的主梁将发生碰撞 引发桥梁的破坏甚至落梁。 特别是在加装了隔震支 座桥梁的地震分析时，考虑到梁梁间的纵横向相对 位移比较大，应该考虑梁梁间存在的碰撞可能。 在 非线性时程分析时可采用如图 3 所示的间隙单元 来模拟伸缩缝。 图 3 伸缩缝单元力－位移关系 3 计算结果 依据《公路桥梁抗震设计细则》第 3.4 条，地震 作用下的效应组合应包括永久作用效应+地震作用 效应， 在永久作用效应基础上按照横向 1.0+纵向 1.0＋竖向 0.5 的系数同时输入 3 向人工地震波，如 图 4所示。 图 4 人工地震波 竖向 承载 力 位移 量/ mm 支座剪应变（175%时） 水平 极限 剪应 变能力 铅销 屈服 力/kN 二次刚 度/（kN· mm-1） 一次刚 度/（kN· mm-1） 等效刚 度/（kN· mm-1） 等效阻 尼系数/ % 450 ±45 33 0.72 4.7 1.1 16.9 ≥300% 34· · 第 4 期 3.1 关键截面轴力-弯矩屈服面能力分析 当考虑 3 向地震力同时作用时，除了竖向地震 荷载会导致双柱墩和桩群轴力发生很大变化外，在 横桥向地震力作用下，双柱墩和群桩基础还会因为 “框架效应”也会导致产生很大的轴拉力，所以双柱 墩和桩群也必需通过截面的 P-M 屈服面来进行判 别，其中屈服面以首根钢筋受拉屈服定义。 截面轴力-弯矩屈服面能力分析的原理是把横 截面按约束混凝土、非约束混凝土、纵向钢筋双向 划分为平面网格，每一网格的中心为数值积分点。 网格的纵向微段即定义为纤维。 通过计算每个纤 维的应力，并在断面内进行数值积分，即可求解每 个微段的内力变化过程。 此时，只要纤维分得足够 细，材料本构关系正确，计算精度就可满足相应的 要求。 钢筋纤维采用考虑了“Bauschinger”效应和硬化 阶段的修正的 Menegotto-Pinto 本构。 圆形截面钢筋 混凝土纤维一般采用 mander本构。 通过验算可以看到，墩柱及桩所有最不利截面 在 E2 地震作用下其内力 P-M 相关时程点基本都 处于截面 P-M屈服面内（偶尔有极少部分内力相关 点超过了屈服面， 此时截面的裂缝宽度可能会超过 容许值，但混凝土保护层还是完好。由于地震过程的 持续时间比较短，地震后，由于结构自重，地震过程 开展的裂缝一般可以闭合，不影响使用），所以判断 双柱墩和桩在 E2 地震作用下均处于弹性阶段内工 作。 图 5给出了 2#墩的最不利截面的验算图示。 图 5 2# 墩最不利弯矩截面验算 通过计算还表明，0# 桥台伸缩缝在 E2 地震作 用下不会发生碰撞，5# 桥台伸缩缝在 E2 地震作用 下的某些特定工况会发生碰撞。 所以在构造上两端 部桥台处（特别是 5# 桥台）伸缩缝需要加橡胶缓冲 吸能垫。 4 隔震结构隔震性能评估 对隔震结构的隔震性能评估一般可通过 2 方 面来表现：（1） 隔震结构构件最大内力与非隔震结 构构件最大内力之比；（2）隔震结构基本周期与非 隔震结构基本周期之比。 本次分析参考《公路桥梁 抗震设计细则》第 10.1.6条，采用第 2种评估方法。 隔震结构的基本周期是与隔震支座的等效刚 度密切相关的，而支座的等效刚度又和支座的有效 位移相关。 参考平成 14 年 3 月的《道路桥示方书（ V 耐震设计编）同解说》，支座的有效位移取为支 座整个时程位移中最大值的 70％。 具体的方法就 是根据非线性直接积分法得到每个支座的顺桥 向、横桥向最大位移结果，然后取每个值的 70％作 为有效位移， 根据该有效位移再得到每个支座顺 桥向、横桥向方向的有效刚度，最后得到整个结构 的周期、振型。 将所有的隔震支座换成与非隔度结构相同尺 寸的普通板式橡胶支座，其水平剪切刚度应与铅芯 隔震支座的一次刚度相同为 4 700 kN/m，隔震桥梁 与非隔震桥梁同期对比见表 2。 表 2 隔震桥梁与非隔震桥梁周期对比 通过表 2 可以看出，隔震结构的第 1 阶周期是 非隔震结构的第 1 阶周期的 1.44 倍，而从第 2 阶周 期开始则增加为 1.8 倍。 到第 10 阶周期时，则达到 了 2倍。 显然，隔震效果非常明显，采用隔震装置后 结构的动力特性性能基本达到《公路桥梁抗震设计 细则》第 10.1.6条的建议值。 5 结论 本次研究表明， 在高烈度地区的桥梁结构，使 用铅芯橡胶支座进行隔离、吸收和耗散地震能量效 果显著。 但要注意的是： （下转第 49页） 周期 隔震桥梁 非隔震桥梁 1阶 2.002 472 1.39 346 2阶 1.801 727 1.07 849 3阶 1.643 196 0.971 074 4阶 1.633 442 0.906 283 5阶 1.58 285 0.841 763 6阶 1.566 783 0.811 595 7阶 1.545 602 0.761 795 8阶 1.536 033 0.752 275 9阶 1.526 711 0.727 476 10阶 1.520 061 0.720 834 王勇，等：安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究 35· · 第 4 期 （上接第 35页） （1）对于安装了减隔震装置的桥梁的下部结构， 在大震作用下也不一定是一定在弹性范围内工作， 一定要对其进行屈服验算，否则可能需要对其减隔 震装置的性能、安置方式进行调整； （2）对于安装了减隔震装置的桥梁的上部结构， 在大震作用下主梁端很容易因为较大的位移发生 碰撞，此时一定要注意在伸缩缝处设置吸能缓冲装 置，以减小碰撞给上部结构带来的损坏。 参考文献 ［1］范立础.桥梁工程［ M］.北京：人民交通出版社，2003. ［2］黄方，王爽．两种弹塑性梁单元在桥梁地震响应分析中的 研究比较［J］．中国西部科技，2009，8（23）：31-33. ［3］肖波，王爽 .桥墩防撞装置碰撞动力学分析［J］.武汉理工 大学学报（交通科学与工程版），2005，29（1）：49-51. （收稿日期：2011-03-28） （2）同组合箱梁一样，顶面砼必须刮浮浆，压磨 收面至终凝，保证浅层砼达设计强度。 3.4 放张 （1）砼必须达到设计规定的放张强度时，预应力 筋才能放张。 设计没有规定的，按照施工规范执行。 （2）放张速度不能过快，必须整体放张，防止钢 铰线的锚固区受损。 3.5 起拱度 为保证砼的质量、均匀性，放张 8 h（变形的滞 后）后，应以塞尺测量跨中和 1/4 点两侧的起拱度， 并做好，若 1/4 点起拱度差异大，砼质量不 均匀，应采取措施改正。 3.6 支座垫石 按 JTGD62—2004 9.7.5 条规定， 当纵坡不大 于 1%时。 可不设阶梯形调平式支座垫石，主要是因 为它对板式橡胶支座的耐久性不利。 3.7 板梁安装时防止支座脱空的措施 为防止支座脱空，安装时事先准备好略大于板 式橡胶支座外缘 0.5 mm 的薄钢板， 在每片板梁安 装就位后，用塞尺测量其脱空点的间隙，将梁吊起， 在该支座底部垫相应的薄钢板，这应该成为规定的 一道工序。 在全桥安装结束后，再用钢筋钩逐个检 查支座是否会被拉出，确保支座不脱空。 3.8 铰缝 铰缝的质量差， 会造成桥梁不能整体受力，为 此必须采取以下措施防治： （1）板梁铰缝面的凿毛要认真、到位；抗剪钢筋 必须按设计绑扎，缺失者必须补足。 （2）顶板上预埋的∩型钢筋，必须按设计规定 的位置起弯，不允许出现贴梁面起弯的现象。 （3）铰缝的砼都必须密实，且强度符合设计要 求，不宜一次性浇筑到顶。 3.9 受拉钢筋截面面积 先张法预应力空心板是部分预应力 A 类构件， 根据规范 JTG-D62—2004 第 9.1.12 条强制性条款 的规定：“部分预应力砼受弯构件中普通受拉钢筋 的截面面积不应小于 0.003bh。 ”有些设计图纸未作 修改，导致端部梁底产生纵向裂缝，施工中应引起 重视，及时改正。 4 结语 本文针对常见的桥梁施工质量问，对其施工 控制关键技术进行介绍，笔者主要是从质量通病的 角度来谈桥梁施工的控制技术，供广大工程建设者 参考。 参考文献 ［1］凌治平，易经武 .基础工程 ［M］.北京 ：人民交通出版社 ， 2007. ［2］姚玲森.桥梁工程.北京［M］.人民交通出版社，2008. ［3］苏权科，石国彬 .桥梁施工监理方法与要点［M］.北京：人 民交通出版社，2005. （收稿日期：2011-02-14） ∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩∩ 李思胜：常见桥梁施工控制关键技术 49· ·