1、矮塔斜拉桥减隔震措施研究 摘要：本文简要介绍了矮塔斜拉桥，探讨了桥梁减隔震的相关措施，并通过有限元软件对某矮塔斜拉桥进行动力特性和时程分析，以了解减隔震性能。 关键字：矮塔斜拉桥 桥梁抗震 反应谱 动力时程 铅芯橡胶支座 0 引言 我国处于欧亚地震带上，是一个地震多发的国家。作为交通线关键工程的铁路桥、公路桥、城市高架桥等将在突发的地震灾害中遭到损坏，造成交通中断，给后续救助工作造成了极大的困难，因此对桥梁抗震性能的研究十分必要，而桥梁抗震性能主要通过减隔震等相关措施实现。 1 矮塔斜拉桥的结构特性 矮塔斜拉桥是介于连续梁桥和斜拉桥之间新的桥梁结构形式，由受弯的主梁、受拉的拉索、受压的主塔构成
2、。矮塔斜拉桥桥塔高度小，主梁刚度大，布索区短，全桥刚度由梁体提供，拉索仅起加强作用，桥塔上多采用索鞍形式，结构设计一般对称，塔底不平衡弯矩较小，整体受力较均衡。与梁桥相比， 这种桥型造型美观， 结构的表现内容丰富，而且具有良好的经济指标，得到了越来越多的应用。 2 减隔震措施 减隔震措施分为减震措施和隔震措施。减震措施是指用各种阻尼器与结构组成耗能、吸能的体系，利用自身的减震吸能作用，较理想的减小地震破坏，对于突发强震也有很好的预防作用和承受能力，常见包含液压粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等，多应用于大跨径桥梁；隔震措施就是通过延长结构结构自振周期，同时限制位移，从而避开地震动的卓越周期，避免共振的发
3、生，从而减小地震作用，常见的有铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座等，应用于高烈度区大中小桥梁上。考虑到矮塔斜拉桥跨径较小，不易采用阻尼器，从而选取应用普遍的铅芯橡胶支座作为减隔震的措施。 3 铅芯橡胶支座 铅芯橡胶支座作为隔震措施的一种，应用十分广泛，其主要构件为普通的板式橡胶支座，在中心加入了铅芯，这么做可以很好的改善橡胶支座的阻尼性能，下图就是铅芯橡胶支座的基本构造图。 图1 铅芯橡胶支座构造示意图 4 动力特性和时程分析 本文算例南淝河大桥为双塔单索面全预应力混凝土矮塔斜拉桥，全长220m，跨径布置为60m+100m+60m，塔梁固结，墩梁分离体系。主梁单幅采用单箱三室大悬臂截面，主塔计算塔高
4、18米，采用实心矩形截面，斜拉索单排布置，由光圆钢绞线组成，下部结构主墩采用带扩大头椭圆柱实体墩，主墩基础采用9根直径2.0米的钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计。本文运用有限元软件MIDAS CIVIL建立了上部结构动力计算模型进行动力特性和时程分析（如下图）： 图2 南淝河大桥全桥有限元模型 结构的动力特性是指结构自身固有的，包括固有频率，振型和阻尼等，它们的大小取决于结构自身，如结构体系、刚度、边界条件等。 动力时程分析需根据规范要求，从强震记录和人工波中选取三条地震动加速度时程曲线，其中两条选自强震记录，分别为E1-centro波和Taft波，另外一条选自人工合成波，采用反应谱转人工加速度时
5、程曲线的程序SIMQKE-GR来实现，时程曲线（部分）如下所示： 图3 1940 E1 Centro 波时程曲线 图4 1952 Taft 波时程曲线 图5 拟合人工波反应谱曲线 图6 拟合人工波时程曲线 本模型分别选取普通支座和铅芯橡胶支座，铅芯橡胶支座通过定义非线性边界的特性值来模拟，输入弹性刚度K1；屈服刚度Qy；屈服后刚度/弹性刚度K2/K1等数值，带入模型计算后可以得到如下结果： 表1 各方案固有周期对比表 方案 普通支座桥梁 铅芯橡胶支座桥梁 固有周期（s） 0.70s 1.21s 当桥梁采用普通支座时，其固有周期为0.70s，与大震时的地震动特征值周期Tg=0.85s特别接近，在
6、地震作用下发生共振破坏的可能性较大，安装铅芯橡胶支座后固有周期变为1.21s，提高了72.8%，已经基本避开了地震能量相对集中的频段，达到了隔震的要求，提高了桥梁的抗震性能。 在计算模型中导入选取的三条地震波，通过动力计算，可以得到如下时程曲线（部分）： 图7 铅芯支座桥梁主塔顺桥向位移时程曲线 图8 铅芯支座桥梁跨中弯矩时程曲线 表 2 各方案位移与内力弯矩计算值 方案 普通支座桥梁 铅芯橡胶支座桥梁 减震率 塔顶顺桥向位移（mm） 11.6 8.3 28.4% 边跨斜拉索终点竖向剪力（KN） 671 470 30.0% 跨中竖向剪力（KN） 1588 1121 29.4% 主塔根部横向弯矩
7、（KN.m） 44577 35834 19.6% 跨中横向弯矩（KN.m） 6436 4285 33.4% 通过计算我们可以知道，南淝河大桥在安装了铅芯橡胶支座后，无论是位移、剪力还是弯矩都有较大幅度的减小，体现出铅芯橡胶支座的隔震效果。 5 结论 本文以南淝河大桥为背景桥梁，运用有限元软件Midas Civil建立了全桥动力分析模型，选取普通支座和铅芯橡胶支座作为对比，对其进行了动力特性和时程分析，取得的主要结论如下所示： （1）通过计算可以看出，安装有铅芯橡胶支座的背景桥梁具有更好的抗震性能，周期由原来的0.70s变长为1.21s，这可以很好的避开地震动的周期，避免共振的发生。同时，塔顶顺
8、桥向位移、主塔根部横向弯矩和主梁跨中弯矩分别减小了28.4%、19.6%和33.4%，从计算结果可以看出，铅芯橡胶支座对于矮塔斜拉桥的隔震有着很好的效果。 （2）在减隔震的计算中，时程分析对地震波的选取有着严格的要求，这样可以得到较为准确的结果。 （3）相比于减震阻尼器等装置，隔震支座可以有效减小地震作用，并具有很好的经济性能，值得大规模的推广应用。 6 参考文献 1 陈丛春，周海智，肖汝诚.矮塔斜拉桥研究的新进展J.北京：世界桥梁，2006 2 范立础，桥梁抗震（第二版）M.上海：同济大学出版社，1997 3范立础，王志强，桥梁减隔震设计M，人民交通出版社，2001. 4 王冰，单索面矮塔斜拉桥动力特性及地震响应分析D：硕士学位论文，西南交通大学，2011. 5 翟希梅，吴知丰.人工地震波反应谱拟合技术的改进J.哈尔滨工业大学学报，1995，27（6）：130-133 6 庄军生，桥梁减震、隔震支座和装置M，北京：中国铁道出版社，2012第 5 页 共 5 页
