某连续刚构桥抗震与减震性能分析

连续刚构桥为研究对象，运用有限元软件MIDAS进行动力时程分析，对比仅布置滑动支座和布置 滑动支座加高承载力支座两种体系时桥梁在E1和E2地震作用下的响应$结果表明，E1和E2地

震作用下设置两种体系各关键截面均处于完全弹性范围内，布置高承载力支座的隔震体系时桥梁

主梁位移和关键截面内力均不同程度减小$关键词：桥梁；连续刚构桥；高承载力隔震支座；抗震性能；减震性能中图分类号:U442.5

文献标志码:A

文章编号= 1671 — 2668(2019)05 —0100 —04与传统结构的抗震设计方法依靠增加结构构件

整体结构的弹塑性状态，进行E2地震作用下的抗

的自身强度、变形能力来抵抗地震反应相比，减隔震 技术依靠减隔震装置的变形来消耗地震能量，在提

震设计％现有桥梁多采用延性抗震体系或盆式橡胶

支座，该文研究高承载力隔震支座应用于连续刚构 桥的减震性能，并与传统盆式橡胶支座进行对比％高结构抗震性能和降低工程造价方面都颇具优势％ 在各种隔震装置中，使用最多的是叠层橡胶隔震支 座，随着减隔震技术的进步，出现了力学性能更好的

1桥梁模型1.1桥梁概况某连续刚构桥全长326 m,上部结构采用84 m

咼阻尼橡胶隔震支座和咼承载力隔震支座。受地形、地质和水文条件影响，连续刚构桥是山

区中等跨径桥梁的首选％连续刚构桥的主墩形式主 要有单薄壁墩和双薄壁墩，双薄壁墩纵桥向抗弯刚

D150 m + 84 m预应力砼连续刚构、箱形截面、悬浇

施工；下部结构桥墩采用双肢实体墩，0\"桥台采用

度大，桥墩较矮时一般采用双薄壁墩。许多学者对

U形台、扩大基础，3\"桥台采用U形台、钻孔灌注桩

基础。该桥设计荷载为公路一I级，抗震设防烈度 为7度，设计基本地震加速度为0(5g，设计地震分

连续刚构桥的抗震性能进行了研究，如何波等运用

ANSYS对大跨度连续刚构桥进行了动力特性分

析，比较了反应谱法和时程分析法的计算结果及优

组为第一组。该项目场地土类型为软弱土〜中软 土，场地类别为$类，属于对建筑抗震不利的一般地

劣势；王占飞等使用弹塑性Pushover研究桥梁抗震

设计方法，对三跨连续刚构桥进行了 E2地震动作 用下的抗震分析，发现Pushover能很好地探明桥梁

段，阻尼比取0(5。该桥抗震设防类别为B类，场

地卓越周期Tg = 0(5 s。全桥桥型布置见图1%000.9ooooso+oyw

卜

8 40015 0008 4004

刑

E+0M

图1桥型平面布置(单位 :cm\"2019年第5期刘伟：某连续刚构桥抗震与减震性能分析据此可得：1011.2有限元模型根据该桥结构总体布置，采用有限元计算程序

K + = mb 1(% + % 0)h +式中：Ki为每层土弹簧的刚度系数；&+为每层土的 厚度％MIDAS/Civil建立三维有限元模型进行结构动力特

性和地震反应分析％在采用隔震装置的条件下，将

全桥主梁、墩和桩模拟为考虑剪切变形的三维弹性 梁单元计算结构响应，并提取结构关键部位响应，以 便进行关键部位验算及弹塑性判断(见图2)。1\" 支座布置建立桥梁模型后，加上结构自重和二期恒荷载，

在静力分析后提取支座处所承受的桥梁上部结构荷

载，为3 700 kN。根据支座处所承受的桥梁上部结

构荷载，选取滑动支座竖向承载力为4 000 kN、高 承载力支座为3 770 kN。抗震体系下，左右桥台各布置2个盆式滑动支

图2桥梁有限元模型使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础受到的

座，支座参数见表1。表1抗震体系下支座参数支座 数量/竖向承载有效刚度/屈服力/屈服前刚度/

土体影响。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\"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或Ci的乘积％在离散等效弹性支承时，同 一土层内可根据精度需要将其分成若干部分，但在

类型 个 力/kN (kN - m) 滑动支座 4

4 000

300

kN (kN - m)19 70059(

隔震体系下，左边桥台布置2个盆式滑动支座， 右边桥台布置2个高承载力隔震支座，支座参数见

土层分界处必须分开％将每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。表2。表2隔震体系下支座参数+宀*迪 数量/竖向承载位移量/摩擦 支座类型个 力/kN mm 系数亠宀亠「数量/竖向承载有效刚度/屈服 屈服前刚屈服后刚度/支座类型个 力/kN (kN ・ m) 力/kN 度/(kN ・ m) (kN ・ m)盆式滑动支座 2 4 000 +200 -0(3高承载力支座 2 3 770 348 12(8 3861 9(52动力分析2.1自振特性特征值分析中采用多重Ritz向量法分析45阶 振型，各方向的振型参与质量为90%，前十阶周期 见表3。从表3可看出：隔震体系各振型阶次的周

括顺桥向和横桥向，对顺桥向数据统计隔震体系减

少率)。表3振动频率和振动周期阶次12频率/Hz0(270周期/s3(7082(8192(6972(310抗震体系隔震体系抗震体系隔震体系隔震/抗震0(3140(3643(1872(7482(4080(8590(9750(8930(704期都略小于或等于抗震体系。0(3550(3710(4330(887340(4150(6150(8861(1541(4771(8502.2 E1地震结构位移和内力响应在进行地震时程响应计算时，依据《公路工程抗 震设计规范》，应采用多条地震波进行计算分析。为

1(6271(1280(8670(67756781(1280(9320(6771(0000(9301(0731(4781(850便于比较，选用3条根据反应谱拟合的人工波进行 计算，E1地震下3条地震波的加速度峰值为0(45

1(0001(0000(9651(0000(5410(5190(4010(5410(5010(401m/sz,E2地震下的加速度峰值为1(51 m/s2。桥

梁在地震作用下的主梁位移和关键截面内力响应根 据规范选取3 条地震波作用下的最大值。 E1 地震

9101(9252(4971(9762(496从表4可看出:E1地震作用下，隔震体系对于 顺桥向位移有更好的控制。相比于抗震体系，隔震

作用下抗震体系和隔震体系结构位移对比见表4, 结构关键截面最大弯矩、剪力对比见表5和表6(包

体系主梁位移减小16%，个桥台支座位移分别减102公路与 汽运2019年9月表'E1地震作用下结构位移顺桥向位移横桥向 位移位置抗震体 隔震体 减少 抗震体 隔震体 系/ mm系/ mm率系/ mm系/ mm主梁63053001647491\"桥台支座48432803317212\"桥台支座489310037188表5 E1地震作用下关键截面弯矩顺桥向弯矩

横桥向弯矩位置 抗震体系/隔震体系/减少抗震体系/隔震体系/(kN・ m\"kN・ m\"率kN・ m\"kN・ m\"1\"主墩墩顶3827435461007909495272\"主墩墩顶3696432056013890299221\"主墩墩底316072976300646420481302\"主墩墩底308262535101846350451721\"主墩桩顶159515730014004002\"主墩桩顶22722122007892938表6 E1地震作用下关键截面剪力顺桥向剪力横桥向剪力位置抗震体 隔震体 减少抗震体 隔震体 系/kN系/kN率系/kN系/kN1\" 主墩墩顶16831560007106411062\" 主墩墩顶15921470008105710481\" 主墩墩底17511725001124913502\" 主墩墩底17471527013125712181\" 主墩桩顶4484450013553792\" 主墩桩顶617550011365340小33%和37% %隔震体系中2\"桥台布置高承载力

支座，横桥向位移明显减小％从表5和表6可看出：E1地震作用下，隔震体 系顺桥向各关键截面内力相比抗震体系均有所减 小，所有截面内力均小于抗震体系％其中2\"桥墩墩

顶、墩底和桩顶的弯矩减小较明显，分别减小13%、

18%和7%；2\"桥墩墩顶、墩底和桩顶的剪力分别减

少8%、13%和11% %结合2\"桥墩支座位移较小,

说明高承载力支座在减小主梁位移的同时并没有增

加结构的内力响应，而是支座自身耗散了地震能量%

横桥向隔震体系部分截面内力有所增大，但内力增 加最大不超过10%，这是由于高承载力支座将部分

荷载传递到了桥墩上％为判断桥梁是否满足抗震设防要求，对E1地 震作用下顺桥向各关键截面弹塑性进行判断，结果

见表7 %表7 E1地震作用下顺桥向各关键截面弹塑性判断位置

墩身最大弯初始屈服弯能力/是否矩/ kN・ m\"矩/(kN・m\"需求通过1\" 主墩3546195278269是2\" 主墩3205695278297是1\" 主墩桩顶157311939759是2\" 主墩桩顶212211939563是从表7可看出：E1地震作用下，结构各关键截

面均处于完全弹性状态，隔震体系可有效控制结构

位移，对结构内力的控制也较理想％这是由于高承 载力支座有良好的耗能能力，使桥梁在E1地震作

用下更加安全％2.3 E2地震结构位移和内力响应E2 地震作用下抗震体系 和隔 震体系 结构位移

对比见表8,结构关键截面最大弯矩、剪力见表9和

表10（同样选取3条地震波作用下的最大值，并对

顺桥向两种体系的地震响应进行对比\"%表8 E2地震作用下结构位移顺桥向位移横桥向 位移位置抗震体 隔震体 减少抗震体 隔震体 系/ mm系/ mm率系/ mm系/ mm主梁18117200051201281\" 桥台 支座1671527009110932\" 桥台支座168144801411831表9 E2地震作用下关键截面弯矩顺桥向弯矩

横桥向弯矩位置 抗震体系/隔震体系/减少抗震体系/隔震体系/kN・ m\"kN・ m\"率kN・ m\"kN・ m\"1\"主墩墩顶 749697051800620555242632\"主墩墩顶 705416527900721040263151\"主墩墩底 72725682270061209671320252\"主墩墩底 67881641270061179551301981\"主墩桩顶 25632471004115011952\"主墩桩顶 4520447100130312690从 表 8 可 看 出 ： E2 地 震 作 用 下 ， 隔 震 体 系 相 比

抗震体系顺桥向主梁位移减小5%，横桥向主梁位

移基本一致，顺桥向和横桥向各桥台支座位移均有 不同程度减小，隔震体系布置高承载力支座的桥台

处横桥向支座位移减小73% %从表9和表10可看出：E2地震作用下，隔震体

系降低了顺桥向各关键截面的内力响应，横桥向部2019 年 第 5 期刘伟：某连续刚构桥抗震与减震性能分析103表10 E2地震作用下关键截面剪力顺桥向剪力位置1\"主墩墩顶2\"主墩墩顶横桥向剪力率0(090(090(043结论(1) E1和E2地震作用下，无论是设置抗震体

系还是隔震体系，桥梁各关键截面都处于完全弹性

抗震体 隔震体 减少 抗震体 隔震体 系/kN349131703857系/kN31792897系/kN2652254430393263948系/kN30052843阶段，满足设防目标要求％1\"主墩墩底2\"主墩墩底3696340610251427356333911012(2) 采用隔震体系时,桥梁顺桥向主梁位移、各

关键截面弯矩和剪力都降低，桥梁结构更加安全％3495105714520(030(030(021\"主墩桩顶2\"主墩桩顶(3) 采用隔震体系，主梁位移减少，可减小伸缩

缝宽度％

1253988分截面的内力响应增大，这是由于隔震体系横桥向 支座位移减小明显％参考文献：[1]

刘延芳，叶爱君.减隔震技术在桥梁结构中的应用 世界地震工程,2008,24(2).由于横桥向初始屈服弯矩较大，仅对E2地震 作用下顺桥向各关键截面弹塑性进行判断，结果见 表11。[2]

袁涌，魏威，谭平，等.一种基于改进超弹性Zener模型

的高阻尼橡胶隔震支座速度相关性本构模型[J]. 土木 工程学报,2016,49(3).-]陈长海.高承载力隔震支座的力学性能初步研究[J].世

表11 E2地震作用下顺桥向各关键截面弹塑性判断位置1\" 主墩墩身最大弯矩/(kN・m)7051865279初始屈服弯能力/是否通过矩/(kN・m)95278952781193911939需求1(351(46界桥梁，2017,45(4).-]张永亮，卢肖素，陈兴冲，等.高烈度区实体双薄壁矮墩

2\" 主墩1\" 主墩桩顶247144714(832(672\" 主墩桩顶是是是是连续刚构桥抗震设计[J].铁道工程学报，2017,34(11).-]何波，朱宏平，李俊，等.大跨薄壁墩连续刚构桥抗震性

能分析[J].华中科技大学学报：城市科学版,2006,23

(4) (―]王占飞,庞辉，李帼昌,等.基于Pushover分析的刚构

从表11可看出：E2地震作用下，结构各关键截 面均处于完全弹性状态，隔震体系主梁位移和顺桥 向内力响应相比抗震体系有所减小；隔震体系横桥 向部分截面内力增大，但由于横桥向初始屈服弯矩 较大，内力增大量可以接受。桥抗震设计方法研究[J].工程力学,2012,29(增刊2).[7] JTG/T B02 —01 —2008,公路桥梁抗震设计细则[S].收稿日期'019 — 05 — 21(上接第70页)gateCHackingC(2001([]曹锐，岳清瑞•连续纤维复合材料及其发展历程工

[]弯拉能力都得到提高，但掺量超过0( %时对三合料 抗拉性能的改良效果不明显。业建筑，2001,31(9).[4]唐朝生，施斌，高玮.聚丙烯纤维和水泥对粘性土强度

(2)在三合料中加入0(%聚丙烯纤维，28 d弯

拉强度相比未掺加纤维的三合料提高27(%,7、14、

的影响及机理研究工程地质学报，2006,15(1).[]马银华，张广，易志坚，等•聚丙烯纤维半刚性基层材料

28,60 d劈裂强度分别提高38(% ,37(% ,23(%、 20(%。在三合料基层中添加聚丙烯纤维可提高其

抗裂性能。弯曲韧性试验研究重庆交通大学学报：自然科学

版 200726(4)([]于晖.合成纤维混凝土抗裂性能分析安徽建筑,

2007(2) (参考文献：[1] Serfass J P. Application and behavior of fiber modified

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规程[S].收稿日期'019 — 04 — 02tion effects of shrinkage reducing admixtures [A]. Sy m-

posiumon Designand ConstHuction PHactices to Miti-