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地震区梁桥支座选型研究

摘 要: 地震动峰值加速度分别采用0.15 g 和0.20 g。对比分析支座的力- 位移关系、 结构的动力响应和静力响应, 以及桥墩潜在塑性铰的动力反应。研究结果指出: ( 1) 从抗震角度来看, 各种支座的选型对结构的静力响应影响不大。( 2) 选型原则是尽量提高结构的刚度, 减小梁体位移和墩顶位移。( 3) 对本桥而言采用盆式橡胶支座, 抗震性能更好。
关 键 词: 桥梁; 支座; 非线性时程; 抗震
中图分类号: U445 文献标识码: A 文章编号:
1 前言
当前采用的支座型式主要有板式橡胶支座、 四氟滑板支座、 盆式橡胶支座。对于地震区桥梁, 如何合理选择支座型式, 使结构抗震性能最优, 是桥梁设计人员十分关心的问题。为了比较常见支座对桥梁结构地震反应的影响, 本文考虑以下三种支座布置方案, 且分别从静力和动力两个角度进行对比分析。方案1: 采用在桥台处设置四氟滑板支座, 在桥墩处设置板式橡胶支座的方案, 这是高速公路上最常见的一种支座布置方案。方案2: 在桥台和桥墩处均设置板式橡胶支座。方案3: 采用在桥台处设置活动盆式橡胶支座, 在桥墩处设置固定盆式橡胶支座的方案。
2 工程概况
本文研究工作选取一座实桥为研究对象。该桥为一联5×30米的装配式部分预应力混凝土箱形连续梁, 上部结构采用30米后张预应力单箱单室钢筋混凝土箱梁, 下部结构桥墩采用双幅空心薄壁墩和钢筋混凝土盖梁, 基础采用钻孔嵌岩桩。
3 模型建立及地震波参数选取
利用Midas Civil程序, 采用梁格法建立空间有限元分析模型。其中主梁采用基于T imoshenko 梁理论的梁单元来模拟。墩柱采用弹塑性Fiber梁单元模拟。支座单元的模拟中, 板式橡胶支座采用线性弹簧连接单元模拟。聚四氟乙烯滑板支座用双线性理想弹塑性弹簧连接单元模拟。固定盆式支座模拟时采用一个各个方向刚度无穷大, 而转动刚度为0的弹性连接的方式。活动盆式支座可用双线性理想弹塑性弹簧连接单元模拟。模型中阻尼的输入采用单元瑞利阻尼。抗震模型考虑桩土的共同作用, 用等代土弹簧模拟。
本文根据该桥所处的场地土特性,计算中输入的地震波采用El-Centro波、 Taft波、 SanFer波。计算时,根据规范要求进行加速度调幅处理。然后取3 条波时程计算的最大值的平均值作为最后结果。
4 结构分析
为了更好的分析地震作用影响, 利用Midas Civil程序对桥梁结构先进行静力分析及验算, 然后再进行动力分析, 从而在桥梁设计之初就能很好的兼顾静力、 动力作用。取2#墩结果作比较, 分析结果如下。
表 1 桥墩静力参数对比( 2#桥墩)
方案
桥墩
效应
验算
墩顶支座变形 ( m)
墩底轴力( kN)
墩底剪力( kN)
墩底弯矩(kN .m)
最大轴向力组合设计值( kN)
抗压承载能力( kN)
面内剪力
面外剪力
面内弯矩
面外弯矩
方案一
0.021
11542.8
80
99.6
2844
1949
17696.84
106553
方案二
0.019
9570
140
231.1
3373
3636
17743.98
106553
方案三
0.028
10960.4
79.3
134.8
2793
2556
17312.45
106553
表 2 桥墩动力参数对比( 2#桥墩)
方案
地震作用
墩底最大轴力( kN)
墩底最大剪力( kN)
墩底最大弯矩(kN.m)

塑性转角( rad)

面内剪力
面外剪力
面内弯矩
面外弯矩
方案一
E1
1555
531
1054
12870
19480
横桥向
0.0004
E2
17150
1826
3588
49470
76740
顺桥向
0.0012
方案二
E1
2032
567
945
14870
18700
横桥向
0.0004
E2
16740
1896
3224
49480
74100
顺桥向
0.0148
方案三
E1
1330
540
1049
13300
15170
横桥向
0.0005
E2
16390
1507
3358
48180
74620
顺桥向
0.0262
综合比较计算结果可知: ( 1) 在桥墩静力验算结果中, 三个方案均满足要求且差别不大, 说明不同支座布置方法对桥墩影响不大。( 2) 在E1地震作用下, 对比喻案一、 二可见桥台采用滑动板式橡胶支座减小了桥梁刚度, 降低了墩底轴力、 墩底面内剪力以及面内弯矩, 但面外剪力以及面外弯矩却有一定程度的增加。方案三墩底最大轴力以及墩底面外弯矩最小, 其余指标居于中游。在E2地震作用下, 方案一墩底面内剪力以及面内弯矩小于方案二, 方案三墩底轴力、 墩底面内剪力以及面内弯矩最小, 其余指标居于中游。
综上所述, 方案三在受力方面略优于方案一、 二。
5 总结
采用非线性时程分析方法, 经过对地震区桥梁支座的合理选型进行研究, 得出以下结论。
（1） 在桥墩静力验算结果中, 三个方案均满足要求且差别不大, 说明不同支座布置方法对桥墩影响不大。
（2） 采用方案二、 三时, 桥墩顺桥向塑性转角大, 一般伸缩缝难以满足抗震要求, 因此对于地震区的高墩桥梁, 需要考虑地震作用下主梁与桥台的碰撞作用, 而且应设置必要的防碰撞落梁装置。
（3） 在抗震计算结果对比中, 方案三在E1地震作用下的墩底轴力、 墩底面外弯矩以及E2地震作用下的墩底面内剪力约为方案一、 二数据平均值的80%左右, 而其余指标相差很小。说明不同支座布置方案对中高墩桥梁影响较小。
（4） 在E1、 E2地震作用下, 推荐方案三布置, 但最好附加必要的横桥向限位装置以及在桥台处的竖桥向限位装置。
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