凌 意周 康

（1、2貴州省交通規(guī)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(guī)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(nèi)力和聯(lián)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(jié)果表明，鉛芯橡膠支座能大幅降低橋梁結(jié)構(gòu)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(lián)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(shù)對墩底內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yōu)異等優(yōu)點，本文主要研究鉛芯橡膠支座的隔震效果及其支座參數(shù)的敏感性。

2.工程背景及計算模型

本文選取一三聯(lián)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(xù)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(jié)構(gòu)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(jù)反力計算結(jié)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(shù)選擇見表1。

表1 鉛芯橡膠支座參數(shù)一覽表

3.動力分析

3.1動力分析方法

根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》（JTGT B02—01—2008）和《城市橋梁抗震設計規(guī)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(jié)合場地情況和規(guī)范，本文采用非線性時程分析方法來計算結(jié)構(gòu)的地震響應。由于缺少當?shù)貙崪y地震波數(shù)據(jù)，本文根據(jù)反應譜數(shù)據(jù)，采用綜合調(diào)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(xù)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(xù)時間取40s，時間步長為0.02s。

表2 地震波參數(shù)

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(guī)范》規(guī)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(jīng)過試算，當激勵方向沿著25號墩的徑向時，橋墩的橫橋向內(nèi)力及橫橋向聯(lián)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(nèi)力

鉛芯橡膠支座的隔震效果采用隔震率[5]指標體現(xiàn)，其具體計算公式為

式中：R為減震后內(nèi)力最大響應，S為減震前（盆式橡膠支座）結(jié)構(gòu)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(nèi)力峰值過大，靠增加截面尺寸“硬扛”地震荷載是不經(jīng)濟甚至現(xiàn)實不可行的。減隔震支座的應用能大幅降低各橋墩的內(nèi)力。使用鉛芯橡膠支座橫橋向、順橋向內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)力趨于均勻，在設計上，這有利于橋墩截面尺寸的統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(lián)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(lián)間的順橋向相對位移，但會帶來聯(lián)間橫橋向錯動。原因在于減隔震支座能延長結(jié)構(gòu)的自振周期，使混凝土梁和鋼梁在順橋向的振動更加協(xié)調(diào)；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(shù)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(shù)模型在tar_90_nor波的E2時程沿25#徑向激勵下，23#、25#、27#墩底內(nèi)力峰值內(nèi)力變化規(guī)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?？紤]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(shù)模型在tar_90_nor波的E2時程沿25#徑向激勵下，23#、25#、27#墩底內(nèi)力峰值內(nèi)力變化規(guī)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(nèi)力呈現(xiàn)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(nèi)力呈現(xiàn)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(jié)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(nèi)力及聯(lián)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(lián)橋梁碰撞的作用。

2）鉛芯橡膠支座能協(xié)調(diào)各橋墩的共同工作，使各橋墩內(nèi)力均勻，這有利于設計中統(tǒng)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(shù)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(jīng)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(guī)范：CJJ 166—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)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(shù)分析[J].世界地震工程，2005，82-87

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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(yè)后從事橋梁設計及相關研究工作。2、周康，2013年合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院本科畢業(yè)后從事橋梁施工及設計工作。