（市政工程专业论文）采用铅芯橡胶支座的斜跨拱桥抗震性能分析.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 主 委 导 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目墨王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：嘴期望签字日期：，年历月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒壁_ 王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师繇叶f 签字日期：办q 年q 月以日 工作单位：店稼洎是园纰卅段；f 研蓖沌 通讯地址：名i 记南轨巨秀棹大通跏芝 电话：工1 7 ，6 茹 邮编：y 妒盯 复 旧 ” 力 量雾 月壤嘶 名 咿 釜 户 者 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 采用铅芯橡胶支座的斜跨拱桥抗震性能分析 摘要 斜跨拱桥作为一种新兴的异型拱桥，具有独特的美学效果。随着拱桥结构 分析理论的完善以及施工工艺的进步，斜跨拱桥得到了飞跃式的发展。由于其 结构的特殊性和复杂性，其动力特性和抗震问题更为引起关注。采用减隔震技 术能够显著改善结构的抗震性能，所以有必要对斜跨拱桥的减隔震问题进行分 析研究。该文收集了相关减隔震设计的资料，概述了铅芯橡胶支座的构造，工 作原理和设计参数。结合工程实际，使用有限元软件m i d a s c i v i l 建立了皖北某 斜跨拱桥的有限元模型，系统的分析了该桥的动力特性，研究了铅芯橡胶支座 对自振特性的影响。应用现有的抗震理论，依据最新桥梁抗震规范，在e l 地震 作用下使用反应谱法，对该桥普通支座模型与铅芯橡胶支座模型分别进行了抗 震性能对比分析，结果表明两种情况下结构构件处于弹性状态：在e 2 地震作用 下，计算分析了墩柱的塑性铰区域以及截面有效刚度，使用非线性时程分析法， 分析结果显示普通支座模型的墩柱底部区域进入塑性阶段，应使用有效抗弯刚 度进行时程分析。在e 2 作用下对墩柱塑性铰转动能力以及支座进行验算。对两 种模型进行抗震性能对比，结果表明在e 1 和e 2 两种概率水准的地震作用下，铅 芯橡胶支座都可以有效的减少斜跨拱桥的地震作用，显著的提高结构的抗震性 能。 关键词：铅芯橡胶支座斜跨拱桥减隔震设计反应谱法时程分析 塑性铰 s e i s m i cp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fs i n g l ed i a g o n a l - s p a n a r c hb r i d g ew i t hu s i n gl e a d - r u b b e r - b e a r i n g s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea r c hb r i d g et h e o r ya n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ， t h en e ws i n g l ed i a g o n a l s p a na r c hb r i d g ew h i c hh a st h eo u t s t a n de s t h e t i c se f f e c ti s i m p r o v i n gq u i c k l y a st h es t r u c t u r eo fs i n g l ed i a g o n a l s p a na r c hb r i d g ei sp a r t i c u l a r ， t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e i s m i cp r o b l e m sa t t r a c tm o r ea t t e n t i o n t h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r e sc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yv i as e i s m i c i s o l a t i o n i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tc o n s i d e r a b l er e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fs e i s m i c i s o l a t i o na b o u ts i n g l ed i a g o n a l s p a na r c hb r i d g e s b a s e do nc o l l e c t i o no fs o m e a s e i s m a t i cr e s e a r c hd a t a ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp a r a m e t e r sd e s i g no fl r b ( l e a d - r u b b e r b e a r i n g ) a r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r w i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ， b a s e do ns p e c i a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ee f f e c to fd y n a m i cp r o p e r t yb yl r bo f s i n g l ed i a g o n a l s p a na r c hb r i d g ei sd i s c u s s e d o n a c c o u n to fe x i s t i n gs e i s m i ct h e o r y a n da c c o r d i n gt on e ws e i s m i cc o d e ，e1s e i s m i c1o a di sc h e c k e df o rag e n e r a l s t r u c t u r em o d e la n da ni s o l a t i o ns t r u c t u r em o d e lo ft h eb r i d g eb yu s i n gt h er e s p o n s e s p e c t r u mm e t h o d ，a n dt h er e s u l ts h o w sc o m p o n e n t so f t h eb r i d g ei ss t i l le l a s t i c c o n d i t i o n e 2s e i s m i c1o a di sc h e c k e df o rm o d e l sb yu s i n gt h et i m e h i s t o r ym e t h o d ， a n a l y z e dt h ep l a s t i ch i n g ea n d t h ee f f e c t i v er i g i d i t yo fc r o s s - s e c t i o na r e a t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec o m p o n e n t so fg e n e r a lm o d e le n t e rt h ei n e l a s t i cp h a s e ，s oi ts h o u l db e u s e de f f e c t i v er i g i d i t yf o rt h et i m e - h i s t o r ya n a l y s i sa n d c h e c k e dt h er o t a t i o n p e r f o r m a n c eo f t h ep l a s t i ch i n g e c o m p a r i n gs e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft w om o d e l s w i t ht h ee1a n de 2e a r t h q u a k el oa d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl r bc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ee a r t h q u a k ee f f e c to ft h es i n g l ed i a g o n a l - s p a na r c hb r i d g e ，s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e dt h es t r u c t u r a ls e is m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l e a d - r u b b e r b e a r i n g ；s i n g l ed i a g o n a l - - s p a na r c hb r i d g e ； r e s p o n s es p e c t r u mm e t h o d s ；t i m e h i s t o r ya n a l y s i s ；p l a s t i ch i n g e 致谢 时光荏苒，两年多的硕士研究生的学习和生活就要随着这篇论文的答辩而 结束了。回首在合肥工业大学的七年多时间，让我对这片天空有着特殊的感情， 有很多的不舍，更多的是感动与感恩。 本文是在我尊敬的导师杨成斌老师的悉心指导下完成的。导师严谨的治学 态度、渊博的学识、宽广坦荡的胸怀、诲人不倦的作风将令我终生受益。两年 多来，导师在学习上给予了谆谆指教，在生活上给予了极大的关心与照顾。在 此学生谨向老师致以衷心的感谢和崇高的敬意! 并祝愿恩师身体健康，工作顺 利，阖家幸福! 感谢同门郭庆超、耿鹤良、汪洪、张茂龙以及师弟张大超、马乾、李自祥、 于景操、张炜等对作者的关怀和照顾。真挚的感谢女友郝翠在生活和学习上对 我的帮助和照顾，有你的陪伴一路走来我都很安心。祝愿所有关心帮助我的人 在未来道路上越走越宽，越走越顺! 谢谢你们! 父母二十多年来对儿子的支持和鼓励以及为儿子所做的牺牲是我战胜一切 困难积极向上的力量源泉；父母质朴、勤劳、节俭的品格是我永远学习的榜样。 感谢我的弟弟，祝愿你人生越来越精彩，衷心祝福我的亲人身体健康，万事顺 心! 将来，无论我会成为高大的乔木还是低矮的灌丛，我都会用生命的绿色向 他们致敬! 曹新垒 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 5 2 2 反应谱组合方法3 5 5 2 3 荷载组合3 6 5 3 普通支座模型反应谱分析3 6 5 4 铅芯橡胶支座模型反应谱分析3 9 5 5e 1 地震作用下两种模型计算结果对比分析一4 1 第六章斜跨拱桥的非线性时程分析4 3 6 1 时程分析法一4 3 6 1 1 时程分析法概述4 3 6 1 2 地震波的选取和参数的选用一4 3 6 2e 2 作用下墩柱弹塑性( p u s h o v e r ) 分析4 5 6 2 1 塑性铰4 6 6 2 2 截面弯矩曲率分析4 7 6 2 3 墩柱塑性阶段判断5 0 6 3e 2 作用普通支座模型主墩抗震性能分析5 4 6 3 1e 2 作用普通支座模型主墩有效刚度5 4 6 3 2e 2 作用普通支座模型主墩塑性铰塑性转动能力验算5 5 6 3 3e 2 作用普通支座模型主墩支座验算一5 5 6 4e 2 作用下普通支座模型与铅芯橡胶支座模型时程分析对比分析5 6 第七章结论及展望6 0 7 1 结论6 0 7 2 有待进一步研究的问题一6 1 参考文献6 2 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 。5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 插图清单 西班牙坎波桥2 英国h u m l e 桥2 巴西总统桥2 图5 5 最不利效应组合下轴力包络图3 9 图5 6 最不利效应组合下m y 包络图4 0 图5 7 最不利效应组合下m z 包络图4 0 图6 1x 方向( 顺桥向) 地震动加速度谱4 4 图6 2y 方向( 横桥向) 地震动加速度谱4 4 图6 3z 方向( 竖向) 地震动加速度谱4 5 图6 4 潜在塑性区域荷载与变形曲线示意图一4 6 图6 5 主墩墩顶截面有效刚度分析4 8 图6 6 主墩墩顶截面屈服弯矩分析4 8 图6 7 过渡墩墩项截面有效刚度分析4 9 图6 8 过渡墩墩顶截面屈服弯矩分析4 9 图6 9 普通支座模型e 2 地震作用轴力图5 0 图6 1 0 普通支座模型e 2 地震作用弯矩( m y ) 图5 0 图6 1 1 普通支座模型e 2 地震作用弯矩( m z ) 图5 1 图6 1 2 铅芯橡胶支座模型e 2 地震作用轴力图5 2 图6 1 3 铅芯橡胶支座模型e 2 地震作用弯矩( m y ) 图5 2 图6 1 4 铅芯橡胶支座模型e 2 地震作用弯矩( m z ) 图5 3 图6 1 5 铅芯橡胶支座模型与普通支座模型e 2 作用拱脚弯矩( m y ) 对比5 6 图6 1 6 铅芯橡胶支座模型与普通支座模型e 2 作用主墩墩底弯矩( m y ) 对 比! ；7 图6 1 7 铅芯橡胶支座模型与普通支座模型e 2 作用主墩墩顶纵向位移对比 ! ；7 图6 1 8 铅芯橡胶支座模型与普通支座模型e 2 作用过渡墩墩项纵向弯矩 ( m y ) 对比5 8 表格清单 表4 1 斜跨拱桥主墩铅芯橡胶支座技术参数2 l 表4 2 斜跨拱桥过渡墩铅芯橡胶支座技术参数2 2 表4 3 普通支座模型和铅芯橡胶支座模型动力特性对比分析3 2 表5 1e 1 作用反应谱系数表格3 5 表5 2 ( a )最不利效应组合下过渡墩桥墩内力及验算3 8 表5 2 ( b )最不利效应组合下主墩桥墩内力及验算3 8 表5 3 ( a )最不利效应组合下过渡墩桩基桩顶内力及验算3 9 表5 3 ( b )最不利效应组合下主墩桩基桩顶内力及验算3 9 表5 4 ( a )最不利效应组合下过渡墩桥墩内力及验算4 l 表5 4 ( b )最不利效应组合下主墩桥墩内力及验算4 1 表5 5 ( a )最不利效应组合下过渡墩桩基桩顶内力及验算4 1 表5 5 ( b )最不利效应组合下主墩桩基桩顶内力及验算4 1 表6 1u c f y b e r 设计参数表4 7 表6 1u c f y b e r 设计参数表( 续) 一4 8 表6 2 墩柱截面抗弯承载能力( k n r n ) 4 9 表6 3 ( a )普通支座模型e 2 作用下最不利效应组合过渡墩墩柱内力5 1 表6 3 ( b )普通支座模型e 2 作用下最不利效应组合主墩墩柱内力5 1 表6 4 ( a )铅芯橡胶支座模型e 2 作用下最不利效应组合过渡墩墩柱内力 ! ；：； 表6 4 ( b )铅芯橡胶支座模型e 2 作用下最不利效应组合主墩墩柱内力5 3 表6 5 普通支座模型e 2 作用下截面刚度折减后主墩墩柱内力5 4 表6 6e 2 地震作用下两种模型墩底弯矩对比j 5 8 第一章绪论 1 1 斜跨拱桥概述 1 1 1 斜跨拱桥的产生与发展 人类社会物质文明和精神文明的高速发展推动了城市桥梁工程设计的不断 延伸，工程师们在桥梁设计中不断研究和尝试更为合理的桥梁结构，同时也越 来越重视其与人文环境和自然生态的和谐问题。随着人们对桥梁建筑结构合理 性与美观性要求愈来愈高，现代桥梁已不仅是一项交通工程，而是作为一种空 间艺术结构物存在于社会生活之中，其影响远远超出本身的涵义和功能【1 1 。所 以在城市桥梁设计中，结构独特新颖，造型风格优美的桥梁往往会脱颖而出。 当前桥梁研究和设计的重要课题就是设计出结构合理，造价经济，同时造型优 美的桥梁【2 j 。 拱桥 3 - 4 】是桥梁美学的最强体现，作为人类历史上最悠久的桥型之一，拱桥 以其独特的造型，在桥梁领域占有重要的地位。早期设计的拱桥多为比较简单 的结构体系，其结构受力明确且造型简洁清晰。随着新材料制造水平的提升和 施工工艺的突破以及桥梁设计理论的不断创新，拱桥的发展获得了质的飞跃【5 1 。 对结构造型的追求，促使拱结构的形式不断变化与翻新，也出现了结构异化的 现象。斜跨拱桥属于异型拱桥【5 】，它的出现表达了桥梁美学的一个高峰，也给 拱桥这种古老的桥型增添了新的活力。 斜跨拱桥具有别致的外形结构，拱肋以斜交的形式跨越行车道，拉索呈翻 花布置形成空间的变幻之感，塑造了充满激情的桥梁造型，能产生强烈的动势 效果以及优美的韵律感，提供了自然流畅、富于力度的视觉感受，并且易与周 围的环境协调。斜跨拱桥以道法自然的力学美而巧夺天工，成为城市桥梁中杰 出的桥型之一。 世界上最早出现的斜跨拱桥是建于1 9 9 0 年的西班牙坎波人行桥( 图1 1 ) ， 在欧洲已经建成的同类型的斜跨拱桥还有英国h u m l e 桥( 图1 2 ) 。此后，巴西于 2 0 0 2 年建造了闻名世界的总统桥( 图1 3 ) ，我国于2 0 0 8 建成了张家口通泰大桥 ( 图1 4 ) ，2 0 0 9 年建成了大连红星三号桥等。 图1 1 西班牙坎波桥图1 2 英国h u m l e 桥 ( 1 ) 巴西儒塞利诺一库比契克总统桥 图1 3 巴西总统桥 该桥位于巴西首都巴伐利亚，主桥( 3 x 2 4 0 m ) 由三个斜跨拱组成。该桥于 2 0 0 2 年完工通车，为纪念巴西前总统儒塞利诺库比契克而命名，简称j k 大桥。 大桥横跨巴西利亚联邦区帕拉诺阿湖，桥宽2 4 m ，双向六车道。全长1 2 0 0 m ，主 跨为三跨中承式空间拱桥，每个拱圈跨度2 4 0 m ，拱高6 2 m ，矢跨比0 2 5 8 3 ，呈 非对称布置。拉索在拱肋两侧对称布置，两边各设置八根拉索；拱肋采用矩形 变截面，其水面以下的部分采用混凝土材料，以上截面采用钢结构。全桥造型 独特，线性流畅。 2 ( 2 ) 通泰大桥 图1 4 张家1 2 1 通泰大桥 张家口通泰大桥( 如图1 4 所示) 是一座下承式斜跨拱桥j 主跨1 9 0 m 。弧 形拱肋横跨大桥两侧，形成平面和立体两条互相缠绕的优美曲线，意趣盎然。 该桥设计等级为双向6 车道城市快速道路，结构设计基准期为1 0 0 年，抗震设防 烈度为7 度，全桥共计采用了2 8 根吊索。 1 1 2 斜跨拱桥受力特性 桥梁受力特性包括结构内部荷载的传递方式及其平衡时的内力状态。斜跨 拱桥保留了部分系杆拱桥的特征。相比常规的拱桥，斜跨拱桥的拱肋按照对角 线形式跨越桥面结构，和主梁呈一定的夹角，拱肋和主梁不仅承受轴力、弯矩， 而且还承受扭矩的共同作用。斜跨拱桥的拱肋拱脚部位有较大的水平力，不能 像系杆拱桥那样由主梁内设置系杆来抵消，只能传递到地基，因此对基础以及 下部结构的强度和稳定性要求较高。 在斜跨拱桥的设计中多采用刚梁柔拱的配合形式【5 】，充分发挥主梁的抗扭 特点，使得拱肋的复杂受力情况得到缓解，降低设计难度。主梁在倾斜吊索的 作用下有平面内的转动力矩，其受力有斜拉桥主梁的受力特点；拱肋除了承受 轴力和面内弯矩外，在斜吊索作用下将承受较大的面外弯矩和扭矩。鉴于斜跨 拱桥的受力十分复杂，因此通常情况该桥型适用于下承式和中承式拱桥。 3 1 2 桥梁震害 由于位于亚欧板块和太平洋板块的交界区域，我国的地震活动非常活跃。 大地震频频发生造成了严重的灾害，极大的破坏了社会生产活动，损害了人民 的生命财产安全，并带来难以慰藉的社会创伤。我国地震发生的特点是：频率 高，强度大，震源浅，灾害重 6 - 9 】。1 9 7 6 年的唐山地震( m 7 8 ) ，造成2 4 万人死 亡，1 6 万人受伤；2 0 0 8 年的汶川地震( m 8 0 ) 中死亡和失踪人数高达8 万多， 因此工程抗震问题在我国显得尤为重要。地震发生后，桥梁结构的破坏造成的 次生灾害也十分严重。桥梁结构作为震后救灾的生命线工程，引起各方高度重 视，其抗震性能研究也成为工程设计的重中之重。本文所研究的工程项目位于 皖北高烈度地区，属于郯庐断裂带范围，处于一个较强的地震活动带，所以有 必要研究地震作用对该桥的影响。 地震作用对桥梁结构产生的破坏使得工程师们逐步认识到结构设计中的不 足，通过对结构设计和工程施工中的缺陷进行调查研究，可以系统得到桥梁震 害的特征，其主要表现如下瞵j ： l 、落梁：上部结构本身因直接地震作用破坏较少见，多数因为支承构件失 效或破坏而导致落梁。梁体落下形式有顺桥向，横桥向和抗扭滑移，多为顺桥 向落梁。与此同时，落梁发生时也使下部结构产生较大破坏。图1 5 所示为1 9 9 5 年日本阪神地震中西宫港大桥发生引桥落梁。 图1 5 阪神地震中西宫港大桥引桥落梁 2 、支座的破坏：支座构件历来被认为是桥梁结构中薄弱的环节，在以往的 桥梁设计中得不到应有的重视，未充分考虑抗震要求、构造连接及支挡等构造 措施。支座的主要破坏形式表现为倾斜、剪断、锚固螺栓拔出等，在历次较大 的震害中，支座位移过大或者发生破坏进而引起整体桥梁结构较为严重的破坏， 多数导致上部结构的坠毁。图1 6 所示为汶川地震中某桥梁支座在地震中遭到破 坏。 4 图1 6 汶川地震中某桥梁支座破坏 3 、桥墩和桩基的破坏：桥梁在地震中发生彻底破坏大多数是由桥墩或者桩 基的破坏而引起。而这两者破坏的主要表现形式为桥墩的开裂、保护层混凝土 剥落和纵向钢筋屈服、桥墩的倾斜甚至完全倾覆，这些破坏缘于下部结构不足 以抵抗自身惯性力和地震作用。下部结构多位于深水中或者地下，若在地震中 受到破坏，则其震后修复难度大，因此设计中工程师一般要保证桩基较大的安 全系数，留取足够的富裕度。图1 7 所示为汶川地震中百华大桥桥墩震害。 图1 7 汶川i 地震百华大桥桥墩破坏 综合分析以上几点的叙述，可以得出引起桥梁震害的四点原因： 1 ) 结构体系不恰当或者构造连接措施不当，引起落梁等震害，应在设计中 避免先天不良的结构体系。 2 ) 桥墩自身的强度不足，多数在地震中遭到破坏的桥墩都是因为本身的强 度和延性不够造成，因此在设计中应加强桥墩的延性。 3 ) 桥址处的地基在地震作用下可能发生液化，土体中的孔隙水压力在地震 动作用下急剧增大，致使土体液化，地基基础就失去承载能力，发生较大变形， 5 基础下沉对上部结构造成破坏。因此桥位设计选址时，应进行事先调查，避开 容易发生土体液化的地段。 4 ) 对于大跨度桥梁，各支承处的地面运动不一致造成结构震害。大跨度桥 梁抗震设计分析，应该考虑到桥梁分布在比较大的地质区域，下部结构会处于 不同的地面运动之中，造成全桥的地震激励非同步性，因此对大跨度桥梁要进 行多点多维不一致地震激励情况下的抗震设计分析。 结合各种震害原因，在桥梁结构的设计中应加强对地质情况的分析，选用 合适的结构体系，同时注重对各个薄弱构件进行延性设计，采用相适应的减隔 震措施，提高桥梁抗震性能。 1 3 桥梁减隔震技术的发展 为了克服地震的破坏作用，传统桥梁工程领域的对策是通过加强桥梁结构 自身的刚度来抵御地震这种罕遇荷载，即采取刚性的抗震设计策略，把结构建 造得尽量刚强，抵抗地震引起的动力，反映了“以刚克刚”的思想。但大量桥 梁震害表明传统抗震对策存在诸多不足，结构刚度的增加导致建设成本增加的 同时却很难达到减隔震效果，相关学者对抗震思路进行剖析，对以往的传统抗 震思维提出质疑和反对，开创了新的设计方法理念，逐渐采取柔性抗震设计策 略，把结构设计的尽量柔软，来适应地震引起的波动，转向“以柔克刚”的设 计理论，在抗震设计中引入减隔震的思想，减隔震技术应运而生l l0 。1 3 】。 减隔震技术的产生表明工程设计者跳出了传统抗震设计思想。对于预想不 到的地震作用以及结构复杂的多维振动，减隔震装置都可以较好的预防和承受。 在最近几十年里，减隔震技术得到了迅速的发展，在历次地震中减隔震装置的 性能得到了很好的验证。该类装置已经逐步成为结构的组成部分，替代了部分 传统结构构件。 美国在桥梁减隔震设计中，采用修正的a a s h t o 标准地震特性进行设计， 减隔震设计的基本原则是在长周期化的同时，引入耗能机制。美国已有上百座 桥采用了减隔震装置，多为铅芯橡胶支座和摩擦滑动减隔震装置；在大跨度桥 梁中较多使用粘滞阻尼器等来实现抗风及减震效果。 日本在研究减隔震方面的起步较早，在设置了减隔震装置的桥梁中大部分 采用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座，1 9 9 5 年阪神地震后，采用减隔震技术的 桥梁日益增多，其中铅芯橡胶支座的应用最为广泛。 我国的桥梁减隔震研究起步相对较晚，进入新世纪以后，在研究和实践方 面伴随我国桥梁事业的发展迅速展开。现在进行大跨度桥梁设计，政府相关部 门以及桥梁设计施工人员都高度的认识到减隔震技术的重要性。中小跨径桥梁 设置减隔震装置多采用铅芯橡胶支座和高阻尼支座；中交规划院设计的苏通大 桥采用了阻尼器进行限位，在此之后大跨径桥梁的设计大都考虑了设置相关的 6 减隔震装置。 减隔震技术不仅适用于高烈度地区的结构物，由于隔震支承的一些有益的 非抗震特性，使得隔震技术也运用在一些低烈度地区，其主要目的是通过引入 弹性约束的隔震支承，达到下部结构合理分配水平力的效果。 1 4 本文研究的主要内容和方法 斜跨拱桥作为一种新兴的结构桥型，具有独特的造型和景观，近来得到了 飞跃式的发展。由于其结构的特殊性，较一般类型的拱桥在结构构造和受力上 更为复杂，存在较多问题还有待解决，其动力特性和抗震问题的复杂性更为引 起关注。采用减隔震技术能够显著改善结构的抗震性能，所以有必要对斜跨拱 桥的减隔震问题进行研究分析。目前对该种桥型的研究尚不太多，因而对斜跨 拱桥抗震性能的研究分析是一项很有意义的研究工作。 本文将铅芯橡胶支座引入到斜跨拱桥中，以皖北某斜跨拱桥为工程实例， 对该桥进行抗震性能及减隔震性能方面的分析，主要研究内容如下： 1 ) 阐述了斜跨拱桥的国内外发展情况，并对铅芯橡胶支座的构造、减隔震 工作机理和设计参数等进行了总结和综述； 2 ) 结合斜跨拱桥的工程实例，分析其力学特性，分别建立有限元普通支座 模型和铅芯橡胶支座模型，对比铅芯橡胶支座对斜跨拱桥结构动力特性的影响； 3 ) 结合0 8 公路桥梁抗震细则，利用反应谱分析方法，在e 1 地震作用下进 行普通支座模型和铅芯橡胶支座模型的对比分析，研究铅芯橡胶支座对斜跨拱 桥的减隔震效果： 4 ) 在e 2 地震作用下，计算分析了墩柱的塑性铰区域以及截面有效抗弯刚 度，使用非线性时程分析法对两种模型进行分析，并对两种模型抗震性能的结 果进行了对比分析。 7 第二章桥梁减隔震设计 2 1 桥梁减隔震机理 结合桥梁结构的动力特性，使用减隔震措施可以减少或者避免地震或者风 力对结构的破坏。“隔震的本质是将上部结构与可能引起破坏的地面运动隔离开 来，避开地震能量集中的范围，从而降低结构的地震力”【l 】。在桥梁上下部结 构之间设置的减隔震系统，在地震发生时会发生较大的变形来削减传递到上部 梁体的地震作用，改善上部梁体的受力状况。从本质上来讲，减隔震方法属于 被动控制技术的一种【6 j 。 可以使用简单的单自由度系统来阐述结构的减隔震原理，图2 1 一( 1 ) 所表 示的是没有设置隔震控制装置的单自由度动力系统计算模型，其质量、阻尼和 刚度分别为m 、c l 和k 。在这种情形下系统的主要变形是墩柱的弯曲变形； 图2 1 一( 2 ) 是增加了隔震装置的单自由度系统的计算模型，由于隔震装置的刚 度远小于墩的刚度，故整个系统的变形主要为剪切变形，系统的质量、阻尼和 刚度为鸩、g 和砭，且两种模型的m 1 = m 2 ，c l 砭。 锈纱l t l l k 1c 1 ( 1 ) 隔震前( 2 ) 隔震后 图2 1 减隔震原理简图 对两种模型利用动力学分析可以求出结构物在隔震前后结构的振动周期 比，式子中磊、色分别为隔震前后系统的阻尼比， ：吾： 躺 在抗震分析中，通常第一阶振型是结构的主振型，五为结构没有设置隔震 装置的第一阶振动周期，互为结构采用隔震装置后的第一阶振动周期，由于 参 互，由上式推导可以得知结构中 如图2 2 所示为阻尼对桥梁上部结构加速度的影响。从图中可以看出，随着 结构阻尼的增加，桥梁上部结构加速度峰值出现了显著的下降。桥梁的周期随 着阻尼的增大而延长。这样结构物就可以避开地震的最大反应频域，有效减小 结构的响应值。 结构物周期的延长通常必然伴随着较大的变位，才可以减小地震力的效果， 并且体系过于柔的结构在常规荷载的作用下就有可能出现破坏现象。因此可以 在结构中设置减隔震装置，增加结构阻尼，如图2 3 所示阻尼对桥梁上部结构位 移的影响，随着结构阻尼的增加，桥梁上部结构的位移值减小显著，阻尼装置 通过自身的变位来减少上部结构位移。 从上述分析可知，减隔震装置应该是具备特定柔性的支承装置，能够在正 常使用荷载作用下保证有一定的刚度和屈服力，同时具备阻尼耗能能力 1 6 - 18 】。 2 2 减隔震装置分类 减隔震装置中一般包括柔性支承装置和阻尼耗能装置。柔性支承作为上部 结构的自重承载的提供者，阻尼耗能装置则可以抵抗结构水平力，阻止桥梁产 生过大变位的同时，吸收耗散振动能量。柔性支承装置和阻尼耗能装置可以结 合使用也可单独设置。常用的减隔震装置包括阻尼器和减隔震支座，分为整体 型和分离型两类1 9 啦】。 2 2 1 常用的整体型减隔震装置 ( 1 ) 高阻尼橡胶支座 高阻尼橡胶支座是在天然橡胶中加入各种配合剂，可提高橡胶的阻尼性能。 高阻尼橡胶支座的形状同板式橡胶支座，在保持了普通橡胶支座的良好力学性 能的同时，高阻尼橡胶支座同时还具有很高的阻尼比，可以在地震发生时，有 效的吸收地震能量，减轻上部结构的地震影响。 ( 2 ) 铅芯橡胶支座 铅芯橡胶支座是在普通天然橡胶支座的中心插入铅芯，以改善橡胶支座阻 尼性能。通过调节铅芯的直径来选定阻尼，铅芯增加了支座的一次刚度，可以 通过铅芯的剪切变形来实现支座的吸收耗散振动能量的功能。铅芯橡胶支座作 为一种有效的减隔震装置，已经得到较为广泛的应用。 ( 3 ) 抗拉球型钢支座 一种适用于大跨度空间结构的新型支座，这种支座能够承受较大的压力和 拉力，并实现自由滑动和一定程度的转动，可有效的释放结构中产生的温度应 力，满足在地震作用下的较大变形，耐久性好，静刚度大，支座本身产生的变 形极小，如图2 4 所示。 ( 4 ) 抗震盆式橡胶支座 抗震盆式橡胶支座是实现减隔震的主要原理是当支座受到的水平力大于支 1 0 座设计竖向承载力的2 0 以后，支座的消能板就开始滑移，起到第一道隔震效 果，然后阻尼圈开始发挥第二道阻尼效果，支座起到抗震作用；只有当地震冲 击力超出一定的极限时，构件的第三道防线才会发挥作用。该类型的支座具有 抗震效果良好，便于安装，结构紧凑的优点，如图2 5 所示。 图2 4 抗拉球型钢支座 图2 5 抗震盆式支座 2 2 2 常用的分离型减隔震装置 目前常用的分离型减隔震装置 2 3 - 2 4 般为橡胶支座或者盆式支座与各种 类型的阻尼器组成的减隔震系统。 1 ) 金属阻尼器：不制约速度极小的变形( 徐变、温度变形) ，对大跨度桥 梁十分有利。安装在结构可变性部位，地震作用下发生较大的变形时，利用金 属材料的弹塑性来吸收地震能量，减少结构的振动反应。常用的有铅阻尼器和 软钢阻尼器。 2 ) 粘滞流体阻尼器【2 5 】：是由粘弹性材料和约束钢板组成，典型的速度相 关型消能器，利用粘性材料来吸收地震能量。粘性材料兼具弹簧和流体的性质， 该种阻尼器的耗能能力与粘弹性材料的力学性能相关。其特点是对温度变化等 因素引起的慢速梁体自由变形不产生附加力，对震动产生的快速剧烈变形，可 迅速耗能，并减小结构的加速度和位移。如图2 6 所示。 图2 6 粘滞流体阻尼器 3 ) 摩擦阻尼器：又叫摩擦缓冲器，在结构构件屈服前的预定荷载下产生滑 移变形，组成阻尼器的钢板发生回转运动，由于摩擦力的作用使相互间的运动 受到限制，达到消耗地震能力的效果。其优点为耗能能力强，对环境温度等不 敏感，构造简单造价低。 我国已建的早期桥梁中普通橡胶支座使用较为普遍。可将普通板式橡胶支 座替换为铅芯橡胶支座，就能产生良好的减震效果，提高桥梁结构的抗震能力。 铅芯橡胶支座的构造简单，施工方便，便于检查，减震效果显著。同时支 座具有良好的耐腐蚀性和耐久性。相比以往地震加固项目对于整体结构的修复， 铅芯橡胶支座只需要替换原有大量使用的板式橡胶支座，节约成本，降低了工 程造价。因此铅芯橡胶支座有着十分广泛的应用前景。 2 3 减隔震设计原则 对于整个桥梁结构而言，通过各部分构件的刚度、质量、阻尼等的调节可 以达到减隔震的目的，但是桥梁的设计还需综合考虑安全、适用、经济和美观 各种因素，抗震性能并非单纯控制因素。而在一般情况下，梁体、桥墩、基础 等因素调节的空间较小，同时桥梁结构发生振动都与承上启下作用的支座密切 相关，因此多数情况下，选择合适的支座类型是减隔震设计的重要步骤。 传统设计主要是依靠构件自身的刚度和变形来抵御地震作用，主要是通过 增加结构和构件强度来实现。传统抗震设计方法容许结构受到直接从地面传递 的地震作用，其设计的核心问题是如何提高结构的刚度来抵抗地震能量。 减隔震设计是在桥梁结构中引入减隔震装置，通过这些装置延长结构的周 期，增大阻尼，减小从地面传递到结构物的地震作用。工程设计应该保证各种 减隔震装置性能可靠，维修及更换方便。 工程人员为桥梁结构选取合适的减隔震装置时，应充分考虑结构体系以及 桥位处地质情况等。满足下列条件之一的桥梁，可采用减隔震设计【6 】【2 6 】： 1 ) 桥墩的刚度大，基本振动周期比较短，采用减隔震装置可以有效的减小 其地震反应； 2 ) 桥墩的高度相差较大时，自振周期差异较大，不同桥墩在地震荷载作用 下内力差别大； 3 ) 依据场地分析报告或者规范，桥梁桥址区的预期地面运动特性比较明确， 主要能量集中在高频段时。 存在以下情况之一时，不宜采用减隔震设计： 1 ) 在地震作用下，场地失效易发生液化不宜采用减隔震装置； 2 ) 桥墩各向刚度较小，或者桥墩高度较大，整体结构呈现柔性体系特征， 桥梁的基本周期比较长： 3 ) 桥梁位于土体软弱的场地，通过减隔震装置后延长了结构的周期，但是 1 2 可能引起地基和桥梁产生有害共振运动，对结构造成不利影响； 4 ) 在正常的荷载工况下，支座中可能出现拉力，造成减隔震装置失效。 2 4 地震作用及结构阻尼 2 4 1 地震作用 基于对结构抗震性能的研究以及对震害的深入分析，工程设计者逐步提出 一致的抗震设计指导思想，即“小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设计 指导方针。对于重现期比较短的多发小地震作用下，结构仍可以处在弹性阶段， 可以保证正常使用；中震作用下结构主要构件要保持在弹性工作状态，非主要 的部分构件可以允许进入塑性阶段；在重现期比较长的偶发大震作用下，结构 的主要构件允许产生一定的破坏，进入弹塑性阶段，甚至是比较严重的破坏， 但是结构的整体安全应该得到保证，防止发生倒塌。 原有的8 9 版本的公路桥梁抗震设计规范中并未给出相应的减隔震内容，为 正确体现上述抗震设计方针，公路桥梁抗震设计细则( j t g tb 0 2 0 1 2 0 0 8 ) u 5 j 在抗震设计方法上较之老规范有较大的改变，在保持了延续性和一致性的基 础上，主要的改变体现在采用两水平设防，两阶段设计，即抗震设防桥梁分为 a 、b 、c 、d 四类，地震作用分为e 1 地震作用阶段和e 2 地震作用阶段。不同设 防类别的桥梁对应的地震作用的重现期不同。 第一阶段设计级采用弹性抗震设计，对应e 1 地震作用，第二阶段采用延性 抗震设计方法，对应e 2 地震作用，通过验算确保结构的延性能力大于延性需求。 利用能力保护的概念来设计结构，在e 2 作用下结构的塑性区域发生在预先设定 的位置区域，并且不出现剪切破坏等破坏模式。通过抗震构造措施设计，确保 结构具有足够的变形能力【i 引。 按照抗震细则要求，在地震e 1 作用下，结构在弹性工作范围，基本不损伤， 即所谓“小震不坏”。因此在有限元模型计算中结构采用全截面刚度。在地震 e 2 作用下，桥墩( 延性构件) 的选定部位可以发生损伤，产生弹塑性变形( 形 成塑性铰) ，耗散地震能量，延长结构周期，从而减少地震反应。但桥墩的塑性 铰区域应具有足够的塑性转动能力，桥梁出现一定程度的损坏但不发生破坏， 在一定范围内可修复。即所谓“大震不倒”，同时隐含满足“中震可修”。就是 桥墩在最大设计地震作用下可以开裂，甚至可出现钢筋屈服，但是最大变形不 能超过允许值，钢筋不出现拉断，核心混凝土不出现压溃等破坏现象。此时， 在中震后，桥墩可能存在残余变形，但基本不影响桥梁正常通行，在经过简单 加固后，桥梁恢复其设计的功能；在最大设计地震作用后，桥墩可能存在较大 的残余变形，但尚能维持上部结构和桥墩的自重荷载，并希望能维持紧急通行， 桥梁是否修复取决于修复工程和拆除重建工程的技术经济性比较。进行减隔震 设计的桥梁应该针对e 1 地震作用和e 2 地震作用分别设计和验算分析。 1 3 2 4 2 桥梁结构阻尼系数 桥梁抗震分析是属于动力学分 在动力分析中阻尼的计算取值。桥 的重要参数，一般桥梁阻尼由上部 座的桥梁其阻尼应该由支座装置的 阻尼的大小，决定了桥梁结构 的系数的正确选取是计算可靠的前 析，钢筋混凝土结构的阻尼比采用 型的支座阻尼系数不等，在计算分 第三章铅芯橡胶支座的工作原理及力学性能 3 1 铅芯橡胶支座的构造 近年来各种类型的减隔震装置在桥梁结构中得到了广泛使用。在中小桥梁 中使用较多的是铅芯橡胶支座，我国最早在9 0 年代中期桥梁建设中开始使用铅 芯橡胶支座。在2 0 0 8 年汶川大地震中，西安机场高速渭河大桥采用的铅芯橡胶 支座保证了桥梁的结构及使用安全，其抗震性能得到了充分的验证。 铅芯橡胶支座具有较广的使用范围，并且其构造简单，施工方便，便于检 查，减隔震效果显著；又具有良好的耐腐蚀性，很好的耐久性。相比于以往 地震加固项目中整体修复结构，铅芯橡胶支座只需要替换原有的支座，节约了 成本，降低了工程造价2 7 。2 8 】。 普通板式橡胶支座【2 9 水平向剪切刚度较小，在较