減隔震鉛芯橡膠支座剪切模量參數影響分析

作者簡介：

李 智（1980—），碩士，高級工程師，主要從事橋梁施工管理工作。

摘要：為研究剪切彈性模量對鉛芯橡膠支座減隔震性能的影響，文章以一座3×22 m的小跨徑連續梁橋為研究對象，采用非線性時程分析法計算不同剪切模量鉛芯橡膠支座的橋梁在相同地震下的動力響應，對比地震響應結果并分析橋梁的減隔震效果。結果表明：鉛芯橡膠支座剪切彈性模量的線性增大使得結構體系的自振周期減小，但二者并不呈線性關系；由于材料非線性以及支座耗能能力不同，結構的地震響應與鉛芯橡膠支座的剪切彈性模量同樣不是線性關系；相同尺寸和承載能力下，剪切彈性模量較小的鉛芯橡膠支座減隔震性能更佳。

關鍵詞：鉛芯橡膠支座；剪切彈性模量；減隔震；橋梁抗震

中圖分類號：U443.36+1 A 47 149 4

0 引言

地震是一種持續時間短、能量釋放十分劇烈的自然災害，其產生的能量會對地面的建筑物和構筑物造成嚴重的破壞，甚至使其倒塌。為了使結構能夠抵御地震活動，近年來，減隔震技術得到了大量研究，減隔震裝置在橋梁領域也得到了廣泛應用［1］。

鉛芯橡膠支座以其良好的減隔震性能以及既能支撐上部結構的重量又能提供彈性恢復力的特點，被認為是中小跨度橋梁減隔震的理想裝置［2］，因此成為目前相關研究的重點之一。羅勇歡等［3］對鉛芯橡膠支座進行了水平相關性試驗，研究了支座水平等效剛度和等效阻尼比與水平相關性的變化規律。金建敏等［4］研究了天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座在不同水平剪切變形狀態下的豎向壓縮剛度理論計算方法及公式。谷立寧等［5］研究了鉛芯橡膠支座鉛芯與橡膠體之間的間隙對支座性能的影響。

本文為研究不同橡膠剪切模量對鉛芯隔震橡膠支座減隔震性能的影響，以一座3×22 m的小跨徑連續梁橋為例，基于非線性時程分析法，比較分析結構地震響應隨橡膠剪切模量變化的規律。

1 鉛芯橡膠支座恢復力模型

鉛芯橡膠支座構造如圖1所示。鉛芯橡膠支座由鉛芯和橡膠兩種構件或材料組成，其水平剛度呈現出雙線性特性，分析時一般將滯回曲線修正為雙線性模型［6］。

鉛芯橡膠支座的力學性能是鉛芯和橡膠組合作用的結果，其雙線性恢復力模型通常按照“在一定荷載范圍內，鉛芯發生理想彈塑性變形，而橡膠則始終保持彈性變形［7］”的原則，將鉛芯理想彈塑性模型和橡膠彈性模型疊加，如圖2所示。

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

某預應力混凝土連續梁橋［8］縱橋向立面布置如下頁圖3所示，跨徑為3×22 m。橫截面為單箱單室，梁高1.6 m。橋墩為雙柱墩。上部結構采用C50混凝土，立柱采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，立柱縱筋采用HPB300。

本文將普通支座全部更改為鉛芯隔震橡膠支座，且橫向不設擋塊，僅研究橋梁在E2地震作用下的動力響應。

根據規范《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T822-2011）［9］確定支座并建立以下4種工況：

（1）選取中墩支座為J4Q520×520×177G0.8。

（2）選取中墩支座為J4Q520×520×177G1.0。

（3）選取中墩支座為J4Q520×520×177G1.2。

（4）支座為普通的固定、滑動支座。

其中工況2、3、4的邊墩支座均選取J4Q420×420×169G1.2。

2.2 地震動輸入

該算例地區設計基本地震加速度值為0.15 g，特征周期為0.45 s，E2地震作用的地震調整系數為2.05。根據式（1）計算得到水平加速度反應譜如圖4所示。式（1）中Smax=2.25A，A為地震加速度峰值。利用反應譜轉人工波程序將水平加速度反應譜轉化成一條人工地震波（如圖5所示）。由于本文采用控制變量法進行比較分析，重點不在于準確模擬現實，為保證地震輸入一致性，只選用一條地震波進行分析。

S=5.5SmaxT+0.45Smax （0＜T＜0.1s）

Smax （0.1s＜T＜Tg）

SmaxTgT0.9 （Tg＜T＜5Tg）

［0.20.9-0.02（T-5Tg）］Smax （5Tg＜T＜6s）（1）

2.3 有限元模型

采用SAP2000軟件建立了全橋空間有限元模型，如圖6所示。橋塔、橋墩、主梁及樁基礎采用空間梁單元模擬，結構的質量通過材料密度直接附加于結構上。土彈簧的剛度采用6剛度法進行模擬，并考慮了邊界聯效應。在原橋一聯3跨的基礎上，左右各加一聯，形成三聯9跨。

3 計算結果分析

為了研究剪切彈性模量對鉛芯隔震橡膠支座性能的影響，保持邊墩支座選型不變，僅改變中墩支座，在中墩支座尺寸（520 mm×520 mm）和承載能力（2 000 kN）相同的情況下，只改變中墩支座的剪切彈性模量。根據規范《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T 822-2011）中提供的支座參數，分別選取線性增加的剪切彈性模量G1=0.8 MPa、G2=1.0 MPa、G3=1.2 MPa以定義工況1、工況2、工況3。三種鉛芯橡膠支座的恢復力模型如圖7～9所示。

3.1 動力特性分析

自振周期是結構體系的重要動力特征，同時其對于求解結構的動力反應也具有十分重要的意義。三種工況均考慮邊界聯效應，選取結構縱向和橫向自振周期進行比較，如表1所示。

由表1可知：隨著剪切彈性模量的增加，縱向和橫向自振周期均減小。在結構體系和地震動輸入不變的情況下，鉛芯橡膠支座剪切彈性模量的增大會導致結構體系剛度的增大，且效果明顯。進一步對比可知，當剪切彈性模量呈線性增大時，結構的自振周期并不遵循線性變化，周期與剪切彈性模量倒數的二次根式1/G比較接近線性關系。

3.2 地震響應分析

本文采用非線性動力時程分析法對橋梁進行縱橋向和橫橋向地震響應分析，以研究采用不同剪切彈性模量鉛芯橡膠支座的橋梁減隔震效果。三種工況的縱向、橫向振動中墩支座響應分別如表2和表3所示。

由表2、表3可知：在縱向、橫向地震作用下，隨著剪切彈性模量的增加，支座剪力均呈增大趨勢，而支座變形則呈減小趨勢。這一結果可以通過剪切彈性模量影響水平剛度來解釋。

進一步分析可知，隨著剪切彈性模量的線性增大，支座剪力的增加并不符合線性關系，而支座的變形遞減比較符合線性關系。這種現象產生的原因可以分為兩點：（1）雖然理論上在材料保持彈性時水平剛度和剪切彈性模量應當是正比關系，但是減隔震屬于強非線性問題，不能再按照基于材料彈性導出的規律去分析問題；（2）在地震荷載下鉛芯橡膠支座會被反復加載和卸載，耗散相當一部分能量。因此，支座響應以及結構響應都不能僅僅根據剛度來分析，還要考慮為了達到不同剪切彈性模量而使用的不同橡膠材料所導致的阻尼比不同，使得支座的耗能能力不同，進而也影響了結構的地震響應。

為了更直觀地比較三種不同剪切彈性模量鉛芯橡膠支座的減隔震性能，按照普通的固定滑動支座建立了工況4。四種工況的縱向、橫向地震下中墩墩底截面響應分析結果分別見表4、表5。

前三種工況的結果與前文對支座響應的分析一致。隨著剪切彈性模量的線性增大，墩底剪力和墩底彎矩都呈現增大趨勢，但同樣不是線性的。產生這種現象的原因和前文所述支座剪力、支座變形不符合線性變化的原因相同。

對比前三種工況和第四種工況的地震響應結果可知：將結構支座從普通支座更改為鉛芯隔震橡膠支座后，減隔震效果非常明顯，大大減小了地震下墩底內力，相同承載力的鉛芯橡膠支座中，剪切彈性模量較小者的減隔震效果更好。因此，在位移量允許的情況下，同類型支座中選取剪切彈性模量小的鉛芯橡膠支座可以取得更好的減隔震效果。

4 結語

本文以一座跨徑為3×22 m的小型連續梁橋為背景，研究了不同橡膠剪切模量對鉛芯隔震橡膠支座減隔震性能的影響，得出以下幾點結論：

（1）對于尺寸和承載能力相同但剪切彈性模量不同的鉛芯隔震橡膠支座，對應結構的自振周期隨著支座剪切彈性模量的線性增大而減小，但自振周期與剪切模量并不服從線性關系，相比之下自振周期與剪切模量倒數的二次根式1/G接近線性關系。

（2）隨著鉛芯橡膠支座的剪切彈性模量線性增加，支座剪力增大，支座變形減小，墩底內力響應增大，但均不服從線性變化。其原因是材料非線性的影響，同時鉛芯橡膠支座的阻尼比也會影響到結構體系的動力響應。

（3）通過對比可以看出，鉛芯橡膠支座的減隔震效果較為顯著，且在承載能力相同時，剪切彈性模量較小的支座減隔震效果更佳。

參考文獻

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

［2］高亮亮，商耀兆.鉛芯橡膠支座高墩鐵路簡支梁橋減隔震特性的研究［J］.鐵道建筑，2008（5）：7-10.

［3］羅勇歡，庾光忠，夏俊勇.基于歐盟標準的鉛芯橡膠支座水平性能研究［J］.特種橡膠制品，2021，42（5）：56-61.

［4］金建敏，肖 驥，劉彥輝，等.不同剪切變形下橡膠隔震支座豎向壓縮剛度試驗研究［J］.振動與沖擊，2021，40（6）：93-99.

［5］谷立寧，趙貴英，張紅永，等.建筑隔震橡膠支座鉛芯與橡膠體的間隙對支座性能影響的研究［J］.橡塑技術與裝備，2021，47（13）：1-6.

［6］姜焱培，周曉敏.不同人工地震波作用下鉛芯橡膠支座橋梁減震性能分析［J］.公路，2019（4）：155-159.

［7］熊世樹，周正華，王補林.鉛芯橡膠隔震支座恢復力模型的分析方法［J］.華中科技大學學報（城市科學版），2003，20（2）：28-31.

［8］葉愛君，管仲國.橋梁抗震（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2017.

［9］JT/T 822-2011，公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座［S］.

收稿日期：2022-10-12