第３３卷第２期 Ｖ０Ｌ ３３．Ｎｏ．２ 西华大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０１４年３月 Ｍａｒ．２０１４ ・建筑与土木工程・ 对连续梁桥减隔震支座抗震性能的比较分析 史康 ，全健 ，ｙ＿￣ｇｃ ，耿波 （１．重庆交通大学土木建筑学院，重庆４０００７４；２．四川新宜建设投资有限公司，四川宜宾６４４０００； ３．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆４０００６７） 摘要：以厦漳跨海大桥北汉南引桥为依托，采用有限元非线性时程分析方法，比较分析了铅芯橡胶支座和盆 式橡胶支座对高烈度地区大跨径连续箱梁桥的抗震影响。研究结果表明：铅芯橡胶支座增加了结构在地震作用下 的振动周期和主梁梁端位移，减小了固定墩的受力。相比盆式橡胶支座，铅芯橡胶支座可以使主梁梁端位移增加 ２０％一２００％，固定墩内力减小３６％～８０％。说明铅芯橡胶支座能够通过增加主梁位移达到减小桥墩受力的效果， 隔震效果明显。该研究成果可为同类型桥梁的抗震设计提供参考。 关键词：连续粱桥；减隔震；时程分析；抗震性能 中图分类号：Ｕ４４２．５；Ｕ４４３．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—１５９Ｘ（２０１４）０２—０１０６—０７ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—１５９ ｘ．２０１４．０２．０２４ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ ＳＨＩ Ｋａｎｇ ，ＱＵＡＮ Ｊｉａｎ ，ＷＡＮＧ Ｆｕ—ｍｉｎ ，ＧＥＮＧ Ｂｏ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４ Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｙｉｂｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ＣＯ．，ＬＴＤ，Ｙｉｂｉｎ ６４４０００ Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｈｉｎａ Ｍｅｒｃｈａｎｔｓ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ＣＯ．，ＬＴＤ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６７ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ Ｏｆｆ ｎｏｒｔｈ ｓｏｕｔｈ ａｐｐｒｏａｃｈ ｓｐａｎｓ ｏｆ Ｘｉａｍｅｎ—ｚｈａｎｇｚｈｏｕ ｃｒｏｓｓ—ｓｅａ ｂｒｉｄｇｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｍｐａｃｔ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｅａｄ—ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｔ ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｓｐａｎ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ—ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｒｅａｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｅａｄ—ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｂｅａｍ ｉｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｉｘｅｄ ｐｉｅｒｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｆｔｈ ｐｏｔ ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ，ａｄｏｐｔｉｎｇ ｌｅａｄ—ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｎ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｇｒｉｄｅｒ ｂｙ ２０％ｔｏ ２００％，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ ｉｆｘｅｄ ｐｉｅｒｓ ｂｙ ３６％ｔｏ ８０％．Ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｔｈａｔ ｌｅａｄ—ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｆｏｒｃｅ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｂｅａｍ．Ｔｈｅ ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｍ７ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 近年来，国内外地震发生较为频繁，给人们的 生命财产安全带来极大的影响。桥梁作为交通运 输的生命线如何有效地减小地震作用的影响，越来 越多地引起人们的重视。而减隔震技术可以显著 和延性变形能力来抵制地震，这就需要增大桥墩和 基础的截面尺寸及配筋量，以达到抗震设防的标 准。这种“以强制强”的设计方法，实际证明并不能 有效地降低结构的地震反应。目前国内外广泛采 用的隔震技术是，在桥墩与主梁的连接处采用减隔 震支座，应用较广的支座形式有摩擦摆式支座、铅 提高桥梁结构在遭遇地震时的安全性，减轻结构的 破坏。在大型桥梁的设计中得到越来越多的利用， 传统的结构抗震设计方法是依靠增加结构的强度 芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座¨ 。由于高阻尼橡 收稿日期：２Ｏｌ３－０１－０９ 作者简介：史康（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方向为桥梁动力分析 ｌ０８ 西华大学学报・自然科学版 ＴＯ Ｔ１ 周期 Ｔ０ Ｔｌ 周期 （ａ） （ｂ） 图４加速度、位移时程变化图 ２．２ 常用桥梁减隔震支座模型模拟 目前应用较为广泛的为铅芯橡胶支座、摩擦摆 式支座与高阻尼橡胶支座，其中铅芯橡胶支座是在 Ｖｍａｘ 普通橡胶支座的中部或中心竖直地压入纯度为 ９９．９％的铅芯，利用铅芯在地震作用中的弹塑性性 能来达到耗散地震能量的效果。由于铅的屈服应 力较低（约７ ＭＰａ），并在塑性变形条件下具有较好 的耗能特性，被视为一种良好的阻尼器。铅芯橡胶 ｆ ｝／ 、／ ／ ？ ‘ 支座具有较好的滞洄特性，其初始剪切刚度可以达 ／＂ｍａ 到板式橡胶支座刚度的１０倍以上，其屈服后的刚度 接近板式橡胶支座的剪切刚度。基于铅芯橡胶支 图６盆式橡胶支座滞洄ｆ｝Ｉｊ线 座的滞洄曲线近似的接近双线性行为，可用双线性 盆式橡胶支座临界滑动摩擦力 模型模拟，其滞洄曲线见图５；而板式橡胶支座或活 Ｆ…＝／ｘｄＲ （１） 动盆式橡胶支座屈服后并不具备良好的可塑性，其 初始刚度为 滞洄曲线模型见图６。 ｋ： ｆ、 ２） ｒ ， 式中： 为滑动摩擦系数，一般取０．０２；Ｒ为支座所 承担的上部结构重力（ｋＮ）； 为盆式橡胶支座屈 — ／ ／— 服位移（ＩＴＩ），一般取０．００２～０．００５ ｍ。 ３ 有限元模型 为了分析高烈度区不同减隔震支座对桥梁受 力的影响，采用有限元动力非线性时程分析方法， 利用ＭＩＤＡＳ Ｃｉｖｉｌ ２０１０分别建立了使用盆式橡胶支 座与铅芯橡胶支座的有限元模型。主梁与桥墩均 图５铅芯橡胶支座滞洄曲线 采用梁单元模拟，共有节点６８５个，梁单元５００个。 网５中，Ｋ １为弹性阶段的刚度，Ｋ２为屈服阶 有限元模型见图７。 段的刚度。 第２期 史康，等：对连续粱桥减隔震支座抗震性能的比较分析 图７有限元模拟 铅芯橡胶支座与盆式橡胶支座均采用相同吨 定，其他墩支座横桥向固定，顺桥向放开。墩底节 位的１ ２５０ ｔ与２ ５００ ｔ支座，其相关的物理参数见 点全部固定。 表１、２。在建立盆式橡胶支座模型中，墩４支座固 表１铅芯橡胶支座力学性能 该桥桥址区抗震设防烈度为９度，建筑场地为 ４．１结构特征分析 Ａ类，选用１００ ａ超越概率１０％的地震波样本进行 结构特性分析时提取前１５阶模态，在地震作用 动力时程分析，地震作用时最大地面加速度峰值为 下２种不同支座形式的结构周期比较见表３。 ０．２５ ｇ，地震波时程函数见图８。 表３地震作用下结构周期比较 ０．３ ０．２ （）・１ 越０．０ 器一０．１ ０．２ —０．３ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ 时间／ｓ 图８地震波时程函数 ４ 铅芯橡胶支座与盆式橡胶支座对桥 梁抗震性能影响比较 为了较为真实地反应结构在地震作用下的影 响，比较分析时只提取中间一联的数据。中间联桥 墩编号见以上有限元模型。 １１Ｏ 西华大学学报・自然科学版 图９示给出了结构采用不同支座下，其前ｌ５阶 ＼、２ｏｏｃ 模态对应的周期，采用铅芯橡胶支座最大振动周期 为２．４８ Ｓ，而盆式橡胶支座为１．８１ Ｓ。并从图９可 以看出铅芯橡胶支座明显地延长了结构的振动周 期，这对整个结构来说是极其有利的。说明铅芯橡 胶支座可以增加结构的延性，从而减小地震作用的 影响。从图１０、１１可以看出铅芯橡胶支座滞回曲线 １５ｏｃ ” ～ 茴 与理论值很接近，说明了计算结果的可信性。 网１０铅芯橡胶支庵滞同曲线（２ ５００ ｔ） Ｚ １ｏｏｃ ” ～” －１ｏｏｃ 模态 罔９结构振动周期 图１１铅芯橡胶支鹰滞同曲线（１ ２５０ ｔ） ４．２内力响应比较 提取墩底部最不利截面进行内力比较，比较结 果见表４＿５、图１２—１４ 表４顺桥向墩底内力 表５横桥向墩底内力 第２期 史康，等：对连续梁桥减隔震支座抗震性能的比较分析 墩号 墩号 （ａ）墩底顺桥向轴力 图１２墩底轴力 ３．６ｘｌ矿 ３ ３ｘｌｏｓ ３ ｏｘｌ （ｂ）墩底横桥向轴力 ２ ７ｘｌ ０５ ２４ｘ１０。 ２１ｘ１０ １ ８ｘ１０ １ ５ｘｌ０５ １ ２ｘ１０ ９ Ｏｘｌ ６ Ｏｘｌｏ． ３ Ｏｘｌ０４ 墩号 墩号 （ａ）墩底顺桥向弯矩 图１３墩底弯矩 （ｂ）墩底横桥向弯矩 墩号 墩号 （ａ）墩底顺桥向剪力 图１４墩底剪力 （ｂ）墩底横桥向剪力 由图１２一ｌ４可以较明显看出，铅芯橡胶支座能 够改善结构在地震作用下的影响，减小了上部结构 传给桥墩的力。从图１２—１４可以看出，顺桥向在非 固定墩（１—３、５一＿６）处采用铅芯支座的内力要大于 盆式支座，而在固定墩（４号墩）处盆式支座内力明 导致此结果的主要原因是采用盆式支座时，４ 号墩为固定墩。在地震作用下固定墩承受了大部 分的惯性力，这样相应减小了其他非固定墩的受 力。而铅芯橡胶支座是由所有桥墩较均匀地分担 全部的惯性力，这可以从图１４中铅芯支座内力平稳 增长的趋势得到很好的解释，与采用盆式支座出现 较大幅度的波动有很明显的对比。同时，经计算２ 种不同支座形式在地震作用下总的内力值基本一 显大于铅芯橡胶支座。顺桥向在固定墩处弯矩、剪 力减小约８０％，在非固定墩弯矩增加６０％～７０％， 剪力增加５Ｏ％～６５％，轴力在顺桥型全部墩均有减 小，其范围为１２％～３７％。横桥向在全墩均减小， 致。横桥向由于２种支座均固定，没有出现顺桥向 的幅值波动，但是从受力来看采用铅芯橡胶支座可 以极大改善结构的受力情况。 弯矩减小６７％～７６％，剪力减小６５％一７６％，轴力 减小１６％ ３６％ ｌｌ２ 西华大学学报・自然科学版 表７桥墩墩顶位移 ４．３位移响应比较 选取主梁两端部和桥墩墩顶处进行位移比较分 析，主梁梁端和桥墩墩顶位移分别见表６、７和图１５。 表６主梁梁端位移 ｅｍ 梁端位移 支座类型 横桥向位移 左端 右端 顺桥向位移 左端 右端 ０Ｏ５ ００４ —０ ０３ 鲁ｏ０２ 释 ００１ ０００ 墩 墩 （ａ）墩顶顺桥向位移 冈１５墩顶位移 （ｂ）墩顶横桥向位移 由表６、７与图１５可以看出主梁梁端位移，铅芯 支座大于盆式支座。横桥向主梁左右两端位移平 均增加约２００％；顺桥向平均增加约２０％。墩顶位 移顺桥向在非固定墩铅 支座大于盆式支座，而在 同定墩相反；横桥向位移盆式均大于铅芯。出现此种 结果主要是由于铅芯支座阻止了上部结构受力传给 ３）主梁梁端位移，铅芯支座大于盆式支座。主 梁左右两端位移在横桥向平均增加约２００％；顺桥 向平均增加约２０％。 基于以上的分析，铅芯橡胶减隔震支座能有效 改善连续梁桥各墩的受力状况，隔震效果明显。在 高烈度区的连续梁桥建议优先采用铅芯橡胶支座。 参考 文 献 ［１］困祥明，肖盛燮．对桥梁两种橡胶支座减隔震性能的理论分 析［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００６，２５（５）：２４—２７． ［２］张锴，郭文华．大跨度斜拉桥铅芯橡胶支座的参数优化［Ｊ］． 重庆交通大学学报，２０１１，３０（２）：２００—２０３ 下部结构，保证同样的惯性力作用下，通过采用增大 上部结构的位移减小下部结构受力的影响。 ５ 结论 通过比较分析，铅芯橡胶支座较盆式橡胶支座 而言，其可以较大地改善结构的受力性能。 １）铅芯橡胶支座可以延长结构在地震作用下 的振动周期，增大结构的延性。其在延长桥梁白振 周期的同时还能有效地吸收地震的能量，从而达到 减震的目的。 ３］龚万江，刘朝福，刘维娟．支座对连续Ｔ形梁桥抗震性能影 响分析［Ｊ］．公路交通科技：应用技术版，２００８，０９（４５）：１７—１９． 『４］郭磊，李建中，范立础．大跨度连续梁桥减隔震设计研究 ［Ｊ］．土术工程学报，２００６，３９（０３）：８Ｉ一８５． ［５］方海，李升玉，１三署光，等．高烈度区连续梁桥的减隔设计方 法研究『Ｊ］地震Ｔ程与工程振动，２００５，２５（６）：１７８—１８２ ［６］范立础，王志强．桥梁减隔震没计［Ｍ］．北京：人民交通…版 ｝｛：，２００１． ２）铅芯橡胶支座能够改善结构在地震作用下 的影响，减小上部结构传给桥墩的力。在同定墩处 盆式支座受力明显大于铅芯橡胶支座，弯矩约为铅 芯橡胶支座受力的４．９倍、剪力约为５．１倍。顺桥 向在固定墩处弯矩、剪力减小约８０％，轴力减小 ３６％，在非固定墩弯矩增加６０％～７０％，剪力增加 ５０％～６５％，轴力减小１２％～３７％。横桥向在全墩 均减小，弯矩减小６７％～７６％，剪力减小６５％～ ７６％，轴力减小１６％～３６％。 ［７］庄军生．桥梁支座［Ｍ ．北京：中困铁道 版种，２０００：２３— ２５．２２０—２３０． ［８］钟铁毅，李宁，杨风利，等．铅芯橡胶支座隔震连续梁桥的地 震能量反应分析［Ｊ］．中网铁道科学，２００９，３０（３）：ｌ１—１４ ９］朱文正，刘建新．铅销橡胶支座对桥梁抗震性能的影响［Ｊ ． Ｋ安大学学报：自然科学版，２００４，２４（１）：４８—５１． ［１０］王丽， 维明，阎贵平．铅销橡胶支座参数对隔震桥梁动力 响应的影响桥梁抗震性能的影响［Ｊ］．北京Ｔ、Ｉ 大学学报，２００４，３０ （３）：３０４—３０８． （编校：叶超）