鉛芯橡膠支座對橋梁地震響應影響及分析

費 文

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

近年來，鉛芯橡膠支座作為一種減隔震支座得到了國內外的廣泛研究和使用。研究和實驗結果表明，鉛芯橡膠支座可以減小結構內力響應和位移，改善結構的抗震性能。

為了研究對比鉛芯橡膠支座對先簡支后連續小箱梁抗震性能的影響，本文以一座4×25 m先簡支后連續小箱梁橋為例，采用midas civil 2015有限元軟件，以鉛芯橡膠支座和普通板式支座分別建立兩組模型，在其他條件都相同的條件下，探究兩種支座設計下，橋梁結構的動力特性以及采用鉛芯支座設計后橋梁的內力、位移響應與板式支座的差別，同時進一步探究鉛芯橡膠支座的滯回曲線及耗能機理。

1 工程概況

晉白線分離立交橋位于大運高速姚村互通連接線上，為跨越晉白線而設，橋梁全長106 m，橋寬24.5 m。上部結構采用4×25 m預應力混凝土連續小箱梁，下部結構橋墩采用柱式墩，橋臺采用肋板臺，全橋采用樁基礎。主梁采用C50預應力混凝土小箱梁，單幅4片小箱梁，先簡支后連續，蓋梁和橋墩采用C35混凝土。本橋橋型布置圖和典型橫斷圖見圖1、圖2。

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 典型橫斷面圖（單位：cm）

采用midas civil 2015分別建立兩組空間有限元模型。橋梁上部小箱梁采用梁格法模擬，使其具有整體縱向抗彎剛度及橫向抗扭剛度，橫隔板荷載和二期恒載作為梁單元附加質量；采用彈塑性梁單元模擬橋墩，樁基采用土彈簧模擬樁土之間的作用效應，樁底固結[1]。全橋結構的三維有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋三維有限元模型

2.2 鉛芯橡膠支座和板式橡膠支座剛度計算

2.2.1 板式橡膠支座

對于板式橡膠支座，大量實驗結果表明，其滯回曲線呈狹長形，可以近似做線性處理。板式橡膠支座可用線性彈簧單元模擬[2]。其水平等效剛度可按式（1）計算：

式中：Gd為板式橡膠支座動剪切模量，取1 200 kN/m2；Ar為板式橡膠支座的剪切面積；∑t為板式橡膠層的總厚度[3]。

本橋1號墩到3號墩板式支座采用GYZ400×69，支座水平方向等效剪切剛度為：

近似選取水平方向剛度Kx=Ky=3 000 kN/m，其中Kx、Ky分別為板式支座橫橋向剪切剛度和順橋向剪切剛度。

2.2.2 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座主要耗能材料為支座內部嵌入的鉛芯，在地震力等時變荷載作用時，鉛芯發生塑性變形吸收能量。由于鉛芯具有動態恢復以及再結晶的材料特性，故在反復荷載作用下支座滯回曲線較豐滿，能夠起到隔震減震作用。其余部分為橡膠層及鋼板黏結而成，與板式橡膠支座類似，鋼板及橡膠提供豎向剛度以及彈性變形。

本橋1號墩到3號墩采用鉛芯支座型號為J4Q420×420×125G0.8，鉛芯橡膠支座的相關參數見表1。

表1 鉛芯橡膠支座參數表

2.3 地震波的模擬

本橋模型建立中均考慮了自重和鋪裝、護欄等二期恒載的作用。橋位處地震動加速度峰值為0.2g，特征周期0.45 s，場地類型Ⅱ類，橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防烈度為Ⅷ度，抗震設防措施等級為9級。根據橋位處的地震烈度和場地土類別，模擬出3組地震波，限于篇幅限制，本文只取用其中一組地震波進行分析，采用順橋向+橫橋向的加載方式，E2地震波時程曲線如圖4。

圖4 E2地震波

3 E2地震作用下結構時程分析比較

為了更好地比較鉛芯橡膠支座和板式橡膠支座的抗震性能，引入減震率的概念。減震率η定義為采用鉛芯橡膠支座時的地震反應和采用板式橡膠支座時的地震反應相比降低的百分比。η可表示為[4]：

式中：SLRB為鉛芯橡膠支座地震時的地震反應；S為板式橡膠支座地震時的地震反應。

3.1 結構自振周期

圖5 結構自振周期圖

由圖5可得出，結構的最大自振周期在使用鉛芯支座后明顯比使用普通板式支座延長，普通板式支座下，結構最大自振周期為1.32 s；使用鉛芯支座后，結構自振周期為1.54 s。延長結構的基本周期，可以避免能量集中的范圍，增強結構的耗能能力，從而降低結構受到的地震力，減小對結構的損壞。

3.2 結構內力響應比較

分別計算兩種支座模型下，橋墩墩底的剪力、彎矩和減震率，計算結果分別匯總如表2、表3所示。

表3 兩種支座下墩底彎矩比較

由表2、表3可以看出，鉛芯支座相比板式支座極大地減少了橋墩的內力響應，具有較明顯的減震效果，鉛芯支座比板式支座順橋向剪力最大減震率為11.5%，橫橋向剪力減震率達到35.8%；鉛芯支座相比板式支座順橋向彎矩最大減震率為23.3%，橫橋向減震率達到22.1%，同時，各橋墩墩底所受的剪力和彎矩更趨于平衡。

3.3 結構最大位移值比較

分別計算兩種支座模型下，橋墩墩頂位移、主梁位移，計算結果匯總如表4、表5所示。

表4 兩種支座下縱向位移比較 mm

由表4、表5可以看出，鉛芯支座相比板式支座，主梁位移和墩頂位移都明顯減小。在E2地震波作用下，鉛芯支座模型墩頂的橫橋向和縱橋向位移均比較小，有效減小墩柱的變形，保護了墩柱的安全。由表4、表5還可以看出，在E2地震力作用下，主梁的位移相對較大，因此在設計時，需加強上部主梁防落梁裝置和防震擋塊的設計，避免主梁位移過大，確保結構的安全。

4 鉛芯支座滯回曲線及耗能機理分析

鉛芯支座滯回曲線產生的機理，以順橋向地震力為例。支座在水平力作用下首先發生彈性變形，隨著力的增大直到支座達到屈服強度。然后發生塑性變形，力達到最大，隨后力逐漸減小，此時支座剪切位移也在減小。但是在理想化的支座力學模型中，剪力的變化率（即支座的實時剛度）增大，力減小到零時支座剪切變形依然存在，反向力作用下剪切變形逐漸減小直至為零。反向力繼續增加，支座發生反向剪切變形。這個過程重復就形成了支座滯回曲線。每一個地震力周期滯回曲線的面積即為鉛芯支座耗能。

根據前述鉛芯橡膠支座模型，輸出各個橋墩墩頂的滯回曲線，通過滯回曲線中滯回面積環的大小，可以直觀地看出鉛芯橡膠支座的隔震效果。圖6、圖7為橋墩支座順橋向及橫橋向的滯回曲線。

圖6 橋墩支座順橋向滯回曲線

圖7 橋墩支座橫橋向滯回曲線

由圖6、圖7橋墩滯回曲線圖可以看出，支座的滯回曲線在順橋向和橫橋向都很飽滿，支座的滯回曲線范圍大，說明在地震力作用下，支座的耗能作用明顯。通過鉛芯支座的滯回耗能作用有效地減少了橋墩墩底的彎矩，減小了墩頂縱橫向位移，取得了優異的減隔震效果，確保了橋梁結構的安全。

5 結論

a）橋梁結構采用鉛芯橡膠支座相比板式橡膠支座，可以延長橋梁結構的自振周期，增加橋梁結構的延性和阻尼。

b）橋梁結構采用鉛芯橡膠支座相比板式橡膠支座，具有明顯的減震效果。采用鉛芯橡膠支座后，各墩受到的地震力重新分配，并且更趨于平衡，各墩墩底所受剪力及墩底彎矩大幅度減小。

c）橋梁結構采用鉛芯橡膠支座相比板式橡膠支座，主梁和墩頂位移明顯減小，確保了橋墩的結構安全；采用鉛芯橡膠支座后，在地震作用下墩頂位移減小，但是主梁的相對位移較大，因此，在橋梁上部和下部結構設計時，應充分重視防落梁裝置和防震擋塊的設計，以確保橋梁結構的安全。