板式橡膠支座連續梁橋橫橋向抗震性能研究

王瑞龍

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

板式橡膠支座連續梁橋橫橋向抗震性能研究

王瑞龍

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

板式橡膠支座在我國中小跨徑梁橋中應用廣泛，主梁通常直接放置在支座上，在地震作用下板式橡膠支座與梁底會發生滑動。基于某板式橡膠支座連續梁橋，采用非線性時程分析方法，探討只考慮橫向擋塊的剛性約束作用、只考慮支座的水平剪切剛度及考慮支座與梁底的滑動效應三種模擬方法對結構橫橋向抗震性能的影響。結果表明：考慮板式橡膠支座與梁底的滑動效應后，由于兩者之間摩擦耗能及滑動后支座的隔震作用，橋墩的地震力有了明顯減小，同時主梁位移與支座變形也得到了較好的控制，結構的減隔震效果最好，是一種合理地震模擬方法。同時，為了保證充分發揮板式橡膠支座滑動后的減隔震作用，橫向擋塊與主梁之間的間隙應預留出支座滑動的位移要求，該結論可供工程實踐參考。

連續梁橋；板式橡膠支座；滑動效應；橫橋向；抗震性能

0 引言

在我國，板式橡膠支座由于構造簡單、性能可靠、安裝更換方便、價格低廉等優點，在我國中小跨徑連續梁中得到了廣泛的應用。該支座分別利用橡膠的剪切變形和不均勻壓縮來適應梁體的水平位移和轉動[1]。

同時，在實際工程中，為了施工方便，板式橡膠支座與梁底一般不做螺栓連接處理，即主梁直接放置在板式橡膠支座上。這就使得在地震作用下，當主梁傳遞給橋墩的水平剪力超過主梁與板式橡膠支座的臨界滑動摩擦力時，兩者之間會發生滑動[2]。為了控制兩者之間的滑動位移，在橋墩蓋梁兩側設置鋼筋混凝土橫向擋塊的構造形式較為常見，但橫向擋塊與主梁之間的設置間隙在實際工程中往往不被重視，其間隙的大小直接影響板式橡膠支座在地震作用下的行為表現。因此，考慮板式橡膠支座在地震作用下的滑動效應，同時使橫向擋塊的設置滿足支座在強震作用下的位移需求，對采用板式橡膠支座的連續梁橋的橫向抗震設計有著十分重要的意義。

本文通過考慮板式橡膠支座的多種模擬方法，進行了多種工況下橋墩地震力和墩梁相對位移規律的分析，提出了橫向擋塊與主梁之間設置間隙的要求，研究方法及研究成果可供工程實踐參考。

1 動力分析模型

1.1 工程概況

上海某高架連續梁橋跨徑布置為4×31 m，橋寬25.5 m，如圖1所示。上部結構為預應力混凝土連續小箱梁，梁體質量為46 t/m，C50混凝土，橋墩為鋼筋混凝土雙柱式矩形橋墩（1#～5#），C50混凝土，橋墩中心距為6.2 m。基礎為群樁基礎，采用11根1.0 m的鉆孔灌注樁。該連續梁橋參數見表1。

圖1 連續梁橋立面圖

表1 連續梁橋參數表

上部結構由6片混凝土小箱梁澆注而成，與蓋梁之間采用板式橡膠支座進行連接，每片小箱梁下設置兩個支座，支座型號及參數[3]見表2。

表2 板式橡膠支座參數表

1.2 計算模型

本文采用SAP2000有限元程序建立彈塑性動力計算模型。主梁和墩柱均采用空間梁單元模擬。二期恒載以及橫隔梁質量以均布質量形式加在主梁單元上。對于群樁基礎，承臺近似按剛體模擬，其質量堆聚在承臺質心，墩底與承臺中心及承臺底節點主從相連，通過在承臺底節點施加6個自由度的彈簧模擬樁土相互作用[4]。上部結構與蓋梁之間的12個支座并聯成1個支座進行模擬。

本文基于以下三種板式橡膠支座的模擬方法進行分析比較。

工況一：考慮橫向擋塊的剛性約束作用，即假設擋塊為剛體，主梁與橋墩在橫橋向為剛性連接；

工況二：不考慮橫向擋塊的約束作用，假設板式橡膠支座頂面和底面與梁底和墩頂均采用螺栓連接，板式橡膠支座采用線性單元模擬，其剛度取板式橡膠支座的剪切剛度；

工況三：不考慮橫向擋塊的約束作用，考慮板式橡膠支座的滑動效應，板式橡膠支座采用雙線性單元模擬。

考慮滑動效應的板式橡膠支座的雙線性恢復力模型見圖2。其中：Fy為支座的滑動摩擦力，見公式（1）；N為支座的恒載豎向反力；μ為板式橡膠支座與主梁間的摩擦系數，取為0.25；K0為板式橡膠支座的初始剛度[5]，見公式（2）；K1為板式橡膠支座的滑動后剛度，本文取K1=1/10 000 K0；Gd為板式橡膠支座的動剪切模量，取1 200 kN/m2；Ar為支座的橡膠層面積；∑t為橡膠層的總厚度。另外，工況二中板式橡膠支座的剪切剛度即為雙線性模型的初始剛度K0。

1.3 地震動輸入

該橋橋址處的地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g，場地類別為IV類，所屬的地震分區為2區。按《城市橋梁抗震設計規范》[5]規定，該橋抗震設防類別為乙類，故本文地震動輸入采用E2地震作用下3條場地人工波（即50年超越概率10%，考慮結構重要性系數2.2）。圖3（a）所示為三條人工地震加速度時程波對應的反應譜，圖3（b）為以人工波1為例列出的地震加速度時程曲線。

圖2 板式橡膠支座雙線性恢復力模型

圖3 地震動輸入

2 地震響應分析

針對上述模型采用非線性時程分析方法，討論了橋墩受力、支座變形在上述三種工況下的結果。其中，地震反應的最終結果取3條地震波輸入計算出的最大值，橋墩編號見圖1，1#、5#過渡墩的地震響應均計入了邊界聯的影響。

2.1 地震剪力與彎矩比較

圖4（a）、（b）分別列出了橫橋向地震輸入下，三種工況墩底剪力和彎矩的對比圖。從圖中可以看出：工況一的地震力最大，工況二次之，工況三最小。其中工況二比工況一減小了40%～60%，這主要是由于工況二比工況一的結構橫向剛度小（工況二考慮了板式橡膠支座的剪切剛度，工況一則考慮了橫向擋塊的固定作用），導致工況二的橫向周期較小，使得主梁傳遞給下部結構的地震力有所減小。而工況三比工況一減小了100%～170%，減小作用更為明顯，這是由于工況三考慮了板式橡膠支座與梁底的滑動效應，當地震力超過板式橡膠支座與梁底的滑動摩擦力時，支座發生滑動，起到了隔震的作用，故工況三的地震力最小。

圖4 橫橋向地震輸入下，三種工況地震力對比

2.2 地震位移比較

圖5（a）、（b）分別列出了橫橋向地震輸入下，三種工況主梁位移和支座變形的對比圖。從圖中可以看出：工況一由于考慮了橫向擋塊的固定作用，主梁位移最小，為0.09 m左右；工況二略有增加，主梁位移和支座變形分別為0.15 m和0.12 m左右；工況三由于板式橡膠支座與梁底的摩擦耗能作用，主梁位移和支座變形最小，分別為0.12 m和0.10 m左右，比工況二減小了19%和13%。

由上述比較結果可知，當考慮板式橡膠支座與梁底的滑動效應時（即工況三），墩底受力、梁端位移和支座變形的綜合減隔震效果最好，是采用板式橡膠支座連續梁橋的一種合理支座模擬方法。

圖5 橫橋向地震輸入下，三種工況地震位移對比

3 結論

本文結合上海某高架連續梁橋，采用非線性時程分析方法探討了板式橡膠支座的模擬方法對連續梁橋橫橋向抗震性能的影響，主要結論如下：

（1）板式橡膠支座連續梁橋抗震分析中，考慮橫向擋塊的剛性約束作用時（即工況一），主梁位移較小，但橋墩會承受很大的地震力；

（2）不考慮橫向擋塊的約束作用，僅僅考慮板式橡膠支座的水平剪切剛度時（即工況二），橋墩的地震力相對工況一會有所減小，為50%左右，但主梁位移增加較多；

（3）考慮板式橡膠支座與梁底的滑動效應時（即工況三），由于兩者之間的摩擦耗能及滑動后支座的隔震作用，橋墩的地震力減小效果最為明顯，比工況一減小150%左右，且主梁位移與支座變形比工況二減小15%左右，綜合減隔震效果最好，是采用板式橡膠支座連續梁橋的一種合理支座模擬方法。同時，為了保證充分發揮板式橡膠支座滑動后的減隔震作用，橫向擋塊與主梁之間的間隙應預留出支座滑動的位移要求（本文為0.10 m左右），該研究結論可供工程實踐參考。

[1]胡兆同，陳萬春.橋梁通用構造及簡支梁橋[M].北京:人民交通出版社，1999.

[2]范立礎,李建中.汶川橋梁震害分析與抗震設計對策[J].公路, 2009(05):122-128.

[3]JT/T 663-2006,公路橋梁板式橡膠支座規格系列[S].

[4]葉愛君，管仲國.橋梁抗震[M].北京:人民交通出版社，2011.

[5]CJJ 166-2011,城市橋梁抗震設計規范[S].

U442.5+5；U443.36+1

A

1009-7716（2017）09-0188-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.057

2016-11-25

王瑞龍（1988-），男，山西大同人，工學博士，工程師，主要從事橋梁抗震和設計相關研究。