鉛芯橡膠支座力學性能及應用研究

摘要：本文介紹了鉛芯橡膠支座的性能，利用大型通用結構分析程序Ansys，對一實際工程建模分析了鉛芯橡膠支座的減震效果，結果證明鉛芯橡膠支座具有較好的減震、隔震性能。

關鍵詞：鉛芯橡膠支座 減隔震 連續梁 應用研究

1 鉛芯橡膠支座及力學特性

鉛芯橡膠支座是新西蘭人W.H.Robinson在1975年4月發明的，一經問世就受到各國關注，并得到了廣泛應用。它將豎向支承、水平向柔性（由橡膠提供）和滯變阻尼（由鉛的塑性變形提供）三種功能結合在一個裝置里，比較經濟地解決了橋跨結構的隔震問題。一般疊層橡膠支座是由薄橡膠板和薄鋼板交錯疊合并相互硫化粘結而成的產品。由于鋼板對橡膠板橫向變形產生約束，使其具有非常大的豎向剛度。同時鋼板又不影響橡膠板的剪切變形，保持了橡膠固有的柔韌性，使其具有比豎向剛度小得多的水平剛度，及延長橋梁結構的水平自振周期。從而使支座具有豎向支承與水平隔震機構的雙重功能。

鉛芯橡膠支座的吸能效果主要是利用鉛芯彈塑性變形來達到。由于鉛棒的屈服強度較低（7MPa），并在彈塑性變形條件下具有較好的疲勞性能，它被認為是一種較理想的阻尼器。大量實驗研究表明：鉛芯橡膠支座的恢復力模型可以用雙線性來表示。鉛芯橡膠支座的屈服力與鉛棒的面積有關，增大鉛棒的面積可以提高屈服力，從而提高耗能效果。鉛芯橡膠隔震支座的滯回耗能特性主要有其控制參數屈服力、初始剪切剛度及屈服后剛度所確定。

本文主要致力于對鉛芯支座的計算及實際應用，推動減隔震支座在橋梁中應用與發展。

2 抗震分析方法

2.1 模型建立 清瀾大橋由于引橋結構是對稱結構，考慮到各聯之間的相互影響，以及對比不同墩高之間的隔震效果，現選擇西側引橋7號橋墩至15號橋墩之間的部分作為抗震分析對象，此部分的橋型圖如圖1所示。

采用有限元程序Ansys對該大橋進行抗震計算，采用空間梁單元beam188模擬預應力混凝土連續梁橋的主梁和橋墩；二期恒載采用集中質量單元mass21模擬；主梁與邊墩之間的聯結用combine39單元來模擬。橋梁結構有限元計算模型簡圖如圖2所示，對于非隔震結構，墩與梁之間考慮板式橡膠支座，采用鉸接，而橋臺處考慮四氟板支座，采用摩擦單元，順橋向則是用非線性摩擦滑移單元Combine39來模擬滑移支座。單元的起滑力為

f=μ·FN (1)

式中，μ為摩擦系數，FN為橋梁自重作用下支座的反力；

隔震結構考慮墩與梁之間縱橋向隔震，采用combine39單元來模擬鉛芯隔震橡膠支座。考慮到各聯之間的相互作用，計算中將7~15號橋墩作為一個整體進行計算，縱橋向有限元模分析對象如圖2所示。

橋梁的材料特性為主梁采用C50號混凝土，彈性模量35000 MPa，泊松比0.2，抗壓設計強度22.4 MPa，抗拉設計強度1.83 MPa，容重25kN/m3。主橋橋墩均采用C40號混凝土，彈性模量32500 MPa，泊松比0.2，抗壓設計強度18.4MPa，抗拉設計強度1.65MPa。

2.2 時程分析法 根據《海南省文昌兩橋一路工程場地地震安全性評價》報告，選取100年超越概率10％（E2地震作用）的超越概率進行計算，提供三條地震波。根據《公路橋梁抗震設計細則》中第6.5.2條的規定：當采用3組時程波計算時，應取3組計算結果的最大值。本報告時程分析結果采用三條波地震作用下的反應最大值。現選用其中地表面三條地震波進行分析。E2地震作用下，地震波最大加速度為0.3g。

2.3 減隔震效果分析 采用合適的鉛芯隔震橡膠支座，使得連續梁的自振周期明顯延長，通過耗能減震使得橋墩承受的地震力減少。由于鉛芯隔震橡膠支座的水平剛度較小，隔震橋梁的地震位移反應集中在隔震支座上。在地震的作用下，地震水平力合理的分配在各個墩上，減少地震力集中的現象，改善了結構的受力不均勻。

2.3.1 E2地震作用下，順橋向隔震效果

在E2地震的作用下，順橋向非隔震與隔震結構橋墩底部剪力的對比，彎矩的對比如表1所示。

2.3.2 E2地震作用下，橫橋向隔震效果

在E2地震的作用下，橫橋向非隔震與隔震結構橋墩底部剪力的對比，彎矩的對比如表2所示。

E2地震作用下，隔震支座進行了耗能減震有效的減少了橋墩橫橋向的彎矩和剪力，取得了很好的隔震效果，使得彎矩和剪力合理的分布在各個橋墩中，保證了結構的安全。使得橋墩底部的彎矩和剪力最大減少到達79%以上，保證了結構的安全。同時橫橋向最大位移不超過105mm，滿足擋塊的距離要求。

3 結論

隔震結構延長了橋梁的自震周期，同時隔震支座有效的減少了橋墩的彎矩和剪力，取得了很好的隔震效果，保證了結構的安全。

鉛芯橡膠支座在降低地震力的同時，還可以合理分配水平地震力。通過改變鉛芯的分布情況，可以較好的控制各墩在地震過程中的剪力，使地震作用較均勻地作用在各墩臺上或主要集中在橋墩上。對橋墩高度變化大、剛度分配不均勻的連續梁橋更適合采用隔震技術。通過本文的分析與應用，為鉛芯橡膠支座在高烈度區橋的設計和應用提供了參考，可供科研、設計人員參考。

參考文獻：

[1]曾攀，閻貴平.鉛芯橡膠支座動力特性對連續梁橋地震響應的影響[J]. 鐵道學報，2001，23（5）:97-101.

[2]趙士良.鉛芯橡膠支座在橋梁隔震中的應用研究[J].山東交通科技2006，3.

[3]吳彬，莊軍生.鉛芯橡膠支座力學性能及其在橋梁工程中減、隔震應用研究[J].中國鐵道科學，2004，8(25)

[4]范立礎，王志強.橋梁減隔震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]公路橋梁抗震設計細則(JTG/T B02-01—2008)，人民交通出版社，2008，北京.