費(fèi) 文

（山西省交通科學(xué)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(nèi)外的廣泛研究和使用。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉛芯橡膠支座可以減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)和位移，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

為了研究對比鉛芯橡膠支座對先簡支后連續(xù)小箱梁抗震性能的影響，本文以一座4×25 m先簡支后連續(xù)小箱梁橋?yàn)槔捎胢idas 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(shè)計(jì)下，橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以及采用鉛芯支座設(shè)計(jì)后橋梁的內(nèi)力、位移響應(yīng)與板式支座的差別，同時(shí)進(jìn)一步探究鉛芯橡膠支座的滯回曲線及耗能機(jī)理。

1 工程概況

晉白線分離立交橋位于大運(yùn)高速姚村互通連接線上，為跨越晉白線而設(shè)，橋梁全長106 m，橋?qū)?4.5 m。上部結(jié)構(gòu)采用4×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，橋臺采用肋板臺，全橋采用樁基礎(chǔ)。主梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，單幅4片小箱梁，先簡支后連續(xù)，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(zhì)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(yīng)，樁底固結(jié)[1]。全橋結(jié)構(gòu)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(jì)算

2.2.1 板式橡膠支座

對于板式橡膠支座，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)算：

式中：Gd為板式橡膠支座動(dòng)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(nèi)部嵌入的鉛芯，在地震力等時(shí)變荷載作用時(shí)，鉛芯發(fā)生塑性變形吸收能量。由于鉛芯具有動(dòng)態(tài)恢復(fù)以及再結(jié)晶的材料特性，故在反復(fù)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(jié)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(guān)參數(shù)見表1。

表1 鉛芯橡膠支座參數(shù)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(hù)欄等二期恒載的作用。橋位處地震動(dòng)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(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，抗震設(shè)防措施等級為9級。根據(jù)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(jìn)行分析，采用順橋向+橫橋向的加載方式，E2地震波時(shí)程曲線如圖4。

圖4 E2地震波

3 E2地震作用下結(jié)構(gòu)時(shí)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(shí)的地震反應(yīng)和采用板式橡膠支座時(shí)的地震反應(yīng)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(shí)的地震反應(yīng)；S為板式橡膠支座地震時(shí)的地震反應(yīng)。

3.1 結(jié)構(gòu)自振周期

圖5 結(jié)構(gòu)自振周期圖

由圖5可得出，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大自振周期為1.32 s；使用鉛芯支座后，結(jié)構(gòu)自振周期為1.54 s。延長結(jié)構(gòu)的基本周期，可以避免能量集中的范圍，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力，從而降低結(jié)構(gòu)受到的地震力，減小對結(jié)構(gòu)的損壞。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)比較

分別計(jì)算兩種支座模型下，橋墩墩底的剪力、彎矩和減震率，計(jì)算結(jié)果分別匯總?cè)绫?、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(nèi)力響應(yīng)，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(dá)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(dá)到22.1%，同時(shí)，各橋墩墩底所受的剪力和彎矩更趨于平衡。

3.3 結(jié)構(gòu)最大位移值比較

分別計(jì)算兩種支座模型下，橋墩墩頂位移、主梁位移，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?、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?shù)臋M橋向和縱橋向位移均比較小，有效減小墩柱的變形，保護(hù)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(shè)計(jì)時(shí)，需加強(qiáng)上部主梁防落梁裝置和防震擋塊的設(shè)計(jì)，避免主梁位移過大，確保結(jié)構(gòu)的安全。

4 鉛芯支座滯回曲線及耗能機(jī)理分析

鉛芯支座滯回曲線產(chǎn)生的機(jī)理，以順橋向地震力為例。支座在水平力作用下首先發(fā)生彈性變形，隨著力的增大直到支座達(dá)到屈服強(qiáng)度。然后發(fā)生塑性變形，力達(dá)到最大，隨后力逐漸減小，此時(shí)支座剪切位移也在減小。但是在理想化的支座力學(xué)模型中，剪力的變化率（即支座的實(shí)時(shí)剛度）增大，力減小到零時(shí)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(xù)增加，支座發(fā)生反向剪切變形。這個(gè)過程重復(fù)就形成了支座滯回曲線。每一個(gè)地震力周期滯回曲線的面積即為鉛芯支座耗能。

根據(jù)前述鉛芯橡膠支座模型，輸出各個(gè)橋墩墩頂?shù)臏厍€，通過滯回曲線中滯回面積環(huán)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(yōu)異的減隔震效果，確保了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)論

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

b）橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分重視防落梁裝置和防震擋塊的設(shè)計(jì)，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。