鉛芯橡膠支座在曲線箱梁橋的適用性研究

凌 意周 康

（1、2貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 550081）

鉛芯橡膠支座在曲線箱梁橋的適用性研究

凌 意1周 康2

（1、2貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 550081）

本文以一座城市立交匝道橋為背景，以墩底內力和聯間梁端相對位移為評價指標，對鉛芯橡膠減隔震支座在曲線箱梁橋中的適用性展開研究，結果表明，鉛芯橡膠支座能大幅降低橋梁結構的地震響應，同時該支座能讓各橋墩更好地共同工作,減小聯間梁端的順橋向相對位移。鉛芯橡膠隔震支座的屈服力及硬化比參數對墩底內力隔震效果影響顯著。

曲線鋼箱梁橋；時程分析；鉛芯橡膠支座；地震響應

1.引言

支座減隔震是有效減小曲線橋梁結構地震破壞的方法之一。目前，常見的減隔震支座包括板式橡膠支座、高阻尼隔震橡膠支座[1]、鉛芯橡膠支座、摩擦擺隔震支座等。其中鉛芯橡膠支座具有隔震效果好、維修和可更換性能優異等優點，本文主要研究鉛芯橡膠支座的隔震效果及其支座參數的敏感性。

2.工程背景及計算模型

本文選取一三聯八跨立交匝道為工程背景，其跨徑組合為(3×20m)混凝土箱梁+(40m+36.5m)連續鋼箱梁+(3×20m)混凝土箱梁，總計196.5m。截面為單箱單室，全寬8.7m，混凝土箱梁梁高為1.6m，鋼箱梁梁高為1.8m，曲線半徑為145m。橋墩采用獨墩雙支座，支座間距為3m，沿結構中心線對稱布置，墩高在14.1～15.3m之間，墩號沿里程前進方向順序為21-29號。橋址處抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.20g，工程場地類別為II類，該橋抗震設防分類為乙類，加速度反應譜特征周期為0.40s。

本文采用MIDAS/CIVIL分別建立設普通盆式橡膠支座和鉛芯橡膠支座的全橋三維有限元模型。主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬，鉛芯橡膠支座采用“橡膠隔震裝置模擬”；盆式橡膠支座采用彈性連接模擬。

圖1 盆式橡膠支座布置方式

減隔震支座型號根據反力計算結果選擇。盆式橡膠支座有固定支座、單向活動支座、雙向活動支座之分，支座及橋墩布置見圖1。鉛芯橡膠支座無固定支座與滑動支座之分，其支座參數選擇見表1。

表1 鉛芯橡膠支座參數一覽表

3.動力分析

3.1動力分析方法

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTGT B02—01—2008）和《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）[2~3]橋梁動力分析方法有反應譜、時程分析兩種方法。結合場地情況和規范，本文采用非線性時程分析方法來計算結構的地震響應。由于缺少當地實測地震波數據，本文根據反應譜數據，采用綜合調整法，使采用的地震波滿足地震動頻譜特性、有效峰值以及地震波的持續時間3個基本選波條件。選取的地震波見表2，地震波計算持續時間取40s，時間步長為0.02s。

表2 地震波參數

3.2地震輸入工況

曲線梁橋地震響應計算存在最不利輸入方向問題[4]，《城市橋梁抗震設計規范》規定可沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進行多方向地震輸入。本文經過試算，當激勵方向沿著25號墩的徑向時，橋墩的橫橋向內力及橫橋向聯間梁端相對位移有最不利值，因此選擇此方向作為地震波的最不利激勵方向。

4.地震響應計算及分析

4.1橋墩內力

鉛芯橡膠支座的隔震效果采用隔震率[5]指標體現，其具體計算公式為

式中：R為減震后內力最大響應，S為減震前（盆式橡膠支座）結構的最大響應。

圖2 墩底彎矩My

圖3 墩底彎矩Mz

圖2 、圖3列出了盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座橋梁模型沿25號徑向、Tar_90_nor地震波作用下所有橋墩的墩底彎矩峰值。從圖中可以看出，在該波的E2時程下盆式橡膠支座下橋墩的內力峰值過大，靠增加截面尺寸“硬扛”地震荷載是不經濟甚至現實不可行的。減隔震支座的應用能大幅降低各橋墩的內力。使用鉛芯橡膠支座橫橋向、順橋向內力減震率分別為67.4%~83.9%、5.8%~73.8%；鉛芯橡膠支座對橫橋向內力隔震效果一致高于順橋向，而順橋向設固定支座的3個墩（23、25、27號）的減震率明顯高于其余橋墩。原因是設固定支座會增加支座的剛度，減小結構的自振周期，且剛度越大，地震中該支座所在墩將分擔更多的荷載。同時，減隔震支座還能使各墩內力趨于均勻，在設計上，這有利于橋墩截面尺寸的統一。對類似的小半徑曲線梁橋，鉛芯橡膠支座能起到良好的減隔震效果。

4.2梁端相對位移

考慮到本橋結構近似對稱，鋼梁與混凝土梁之間梁端相對位移僅列出24號交接墩結果。表3列出了Tar_90_nor波作用下各支座模型24號交接墩位置處聯間梁端的相對順橋向位移和橫橋向錯動情況。

表3 各支座類型橋梁模型梁端相對位移 單位：cm

從表3可知，相比盆式橡膠支座橋梁模型，采用鉛芯橡膠支座能大幅減小交接墩處聯間的順橋向相對位移，但會帶來聯間橫橋向錯動。原因在于減隔震支座能延長結構的自振周期，使混凝土梁和鋼梁在順橋向的振動更加協調；采用盆式橡膠支座的混凝土梁及鋼梁在24號位置橫橋向都設有固定支座，因而沒有橫橋向梁端錯動。

5.鉛芯橡膠減隔震支座參數分析

5.1硬化比

硬化比是屈服后剛度與彈性剛度的比值。本文鉛芯橡膠支座硬化比選擇了0.09、0.12、0.15、0.18、0.21五種。各參數模型在tar_90_nor波的E2時程沿25#徑向激勵下，23#、25#、27#墩底內力峰值內力變化規律如圖4所示。

5.2屈服力比值

屈服力是支座從彈性剛度進入屈服剛度的臨界剪力。考慮到本文鉛芯橡膠支座因型號差異而存在多個屈服力，文中以原支座屈服力（見表1）為準，分別建立屈服力比值為原屈服力0.6、0.8、1、1.2、1.4的五種模型。各參數模型在tar_90_nor波的E2時程沿25#徑向激勵下，23#、25#、27#墩底內力峰值內力變化規律如圖5所示。

圖4 23#、25#、27#墩底彎矩Mz圖5 23#、25#、27#墩底彎矩Mz

從圖4、圖5可以得出：隨著鉛芯橡膠支座硬化比從0.09~0.21變化，23#、25#、27#墩底橫橋向內力呈現出先減后增最后趨于平緩形的變化趨勢，25#墩底彎矩改變幅度最大，變幅為35.6%，因此選用硬化比為0.15時，能使23#、25#、27#墩墩底橫橋向彎矩更合理；隨著鉛芯橡膠支座屈服力比值從0.6~1.4變化，23#、25#、27#墩底橫橋向內力呈現出先減后增再趨于平緩的變化趨勢，25#墩底彎矩改變幅度最大，變幅為40.5%；屈服力比值1時，能使23#、25#、27#墩墩底橫橋向彎矩更合理。

6.結論

1）對比盆式橡膠支座，鉛芯橡膠支座能大幅降低地震作用下橋墩墩底內力及聯間梁端相對位移，使橋墩在地震中不至應力過大而破壞，并能起到減小相鄰兩聯橋梁碰撞的作用。

2）鉛芯橡膠支座能協調各橋墩的共同工作，使各橋墩內力均勻，這有利于設計中統一橋墩截面，對標準化施工同樣有利。

3）鉛芯橡膠支座的屈服力和硬化比參數對支座隔震效果的影響非常顯著，對本文背景工程而言，選用硬化比為0.15、屈服力比值為1的支座能達到良好的隔震效果。

4）鉛芯橡膠減隔震支座在正常使用過程中要經受變形及疲勞的考驗，為避免支座疲勞破，設計中應進行驗算，當應力變化幅值大時，應采取合理的措施以保證鉛芯橡膠支座正常工作。

[1]公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座：JT/T 842-2012[S].北京：人民交通出版社，2012

[2]城市橋梁抗震設計規范：CJJ 166—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011

[3]公路橋梁抗震設計細則：JTG/TB02-01-2008[S]．北京:人民交通出版社，2008

[4]朱東生，勞遠昌．橋梁地震反應分析中輸入地震波的確定［J］．橋梁建設，2000，1-4

[5]王常峰.活動支座摩擦力對橋梁抗震性能的影響參數分析[J].世界地震工程，2005，82-87

U45

B

1007-6344（2017）06-0041-02

1、凌意，2016年中南大學土木工程學院橋梁系碩士畢業后從事橋梁設計及相關研究工作。2、周康，2013年合肥工業大學土木與水利工程學院本科畢業后從事橋梁施工及設計工作。