板式橡膠支座滑動的地震響應分析

張 彬，劉 欣，李 洋

（遼寧工程技術大學 土木與交通學院，遼寧 阜新123000）

板式橡膠支座滑動的地震響應分析

張 彬，劉 欣，李 洋

（遼寧工程技術大學 土木與交通學院，遼寧 阜新123000）

支座是橋梁中的支承部分，是連接橋梁上部結構和下部結構的重要構件，板式橡膠支座常直接放置于墩頂，水平力傳遞完全靠接觸面間的摩擦力作用，在地震作用下可能會發(fā)生滑動。通過建立單墩計算模型，對板式橡膠支座滑動的動力性能進行分析。為了克服由于板式橡膠支座滑動引起的梁體移位震害的不足，以一連續(xù)梁橋為研究背景，利用Midas軟件進行了非線性時程反應分析，探討目前板式橡膠支座橋梁所存在的問題，提出將梁橋中對稱橋墩處改置一鉛芯橡膠支座的地震位移控制方法。結果表明：該方法能夠有效地控制支座以及其上梁體的地震位移，減少落梁震害的發(fā)生。

振動與波；梁橋；板式橡膠支座；時程分析；位移控制

支座是橋梁上部結構與下部結構之間設置的傳力裝置。1989年美國洛馬·普里埃塔（Loma Prieta）地震[1]、1994年美國北嶺（Northridge）地震[2]中支座破壞和橋墩開裂或偏位是鐵路公路橋梁的主要破壞形式。在2008年汶川地震中，中小型橋梁的震害主要集中在支座滑動后引起的落梁、梁體移位、伸縮縫處相鄰梁體碰撞等方面，而墩柱和基礎的損傷較輕[3—7]。可見，在地震作用下，橋梁支座的震害較為普遍，是研究橋梁整體抗震性能上的一個薄弱環(huán)節(jié)。板式橡膠支座因為結構簡單，造價較低，安裝使用比較方便等特點，所以目前在中小型橋梁中得以廣泛應用。我國鐵路橋梁第一次使用板式橡膠支座是在1969年建造的安徽固鎮(zhèn)大橋邊跨的一孔12 m預應力混凝土先張梁上。

板式橡膠支座安置的位置一般在墩臺頂?shù)膲|石與梁體之間，支座、墩臺與梁體間沒有設置錨固、焊接等連接措施，完全靠橡膠表面的摩擦力固定。因此，在突遇地震時，橡膠支座與墩頂及梁底接觸面之間可能會產生相對滑動。顯然，板式橡膠支座的柔性可以提供一定的緩沖能力，起到抗震的作用。但支座滑動后，全橋在順橋向缺少足夠的恢復力，使得梁體處于一種隨遇平衡狀態(tài)[8]，導致梁體不穩(wěn)甚至造成落梁。因此，對使用板式橡膠支座的橋梁進行抗震性能評估，并采用相應的改進措施是很關鍵的。

1 板式橡膠支座滑動的動力性能分析

在梁橋受到強震且其支座構造具有完備而符合力學圖式所要求的固定或活動性能時，梁橋各墩振動特性表現(xiàn)為單墩獨立性，因此采用單墩模型研究板式橡膠支座滑動的動力性能。

1.1 單墩模型建立

通常由于蓋梁質量占的比例較大[9]，為了有比較地研究板式橡膠支座發(fā)生滑動時的動力特性，在建立單墩計算模型時需考慮兩種模型：模型一：不考慮蓋梁質量；模型二：考慮蓋梁質量，如圖1。其中蓋梁質量用集中質量表示，為體現(xiàn)板式橡膠支座會發(fā)生滑動的性質，蓋梁與支座之間用彈簧連接，為盡量減少落梁的發(fā)生，在蓋梁處加設抗震擋。

1.2 單墩模型的參數(shù)分析

對單墩模型進行參數(shù)分析時，分別取墩高為3、6、9、12 m，摩擦系數(shù)取0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35，具體參數(shù)見表1。

大量梁橋震害表明：造成橋梁破壞的原因主要是由于地震使得橋梁產生沿橋軸線的縱向水平振動和橫向水平振動，豎向振動造成橋梁破壞的現(xiàn)象并不多見[10]。因此，設定所加工況為地震波沿橫向（x方向）+縱向（y方向）+0.5豎向（z方向）激勵。

圖1 單墩計算型

通過上述圖像可得：隨著接觸面摩擦系數(shù)的增大，支座變形的最大值總體上呈現(xiàn)為下降趨勢，并且當接觸面摩擦系數(shù)足夠大時，支座變形不再隨摩擦系數(shù)的變化而變化，此時表示支座與接觸面之間不發(fā)生相對滑動。且橋墩越高，變化的曲線越先呈現(xiàn)為水平線，即橋墩較高時，支座與接觸面之間不易發(fā)生相對滑動。

2 基本計算條件

2.1 工程概況

分析對象為遷安市某5孔30 m的預應力混凝土梁橋，具體參數(shù)見表2，計算模型如圖3。阻尼矩陣采用質量矩陣與剛度矩陣的線性組合[11，12]。

2.2 地震動輸入

地震加速度的時程采用美國1994年1月17日記錄的Northridge earthquake[13]地震加速度，其最大值為16.7 m/s2。其加速度值在前10 s時很大，10 s之后就變小了，所以可取前20 s用來計算其地震最大作用值。

圖2 模型一、二在設定工況下響應量隨摩擦系數(shù)和墩高變化的折線圖

表1 單墩模型參數(shù)

表2 背景橋梁具體參數(shù)

圖3 橋梁計算模型圖

圖4 Northridge earthquake時程波形

3 支座地震位移控制方法的構建

3.1 提出控制支座地震位移的方法

由板式橡膠支座滑動的動力性能分析可知，當板式橡膠支座橋梁的橋墩較矮時，支座與梁底墩頂?shù)慕佑|面之間容易發(fā)生相對滑動。整橋體系在支座滑動后缺乏恢復力機制，使得梁體地震位移較大，引入恢復力機制控制梁體地震位移的影響。大量試驗表明[14]：板式橡膠支座的力-位移滯回曲線是狹長的，可以近似作線性處理，幾乎沒有耗能作用，因此在支座滑動后不能提供足夠的恢復力。然而鉛芯橡膠支座的動力試驗表明：鉛芯橡膠支座具有良好的滯回性能，中間鉛芯的存在可以增加其初始剪切剛度。因此，結合板式橡膠支座與鉛芯橡膠支座的抗震特性，提出對全部使用板式橡膠支座的橋梁進行改良，即在其他條件不變的情況下，提出采用將梁橋中對稱橋墩處改置一鉛芯橡膠支座的地震位移控制方法。

3.2 支座計算模型

為了準確模擬出支座在地震作用中會產生滑動的特征，滑動支座單元采用具有水平雙向和豎向3個自由度的模型。其中豎向受壓為線彈性，水平方向恢復力的模型如圖5(a)所示，其中，側向力F為支

在進行非線性地震分析時，對于任一時刻，當F＜Fcr時，即在圖5所示的圓面積內，支座不發(fā)生滑動；當F＞Fcr時，即在圖5所示圓面積外，支座開始發(fā)生滑動；當F=Fcr時，支座處于臨界滑動狀態(tài)。座在某一時刻所受到的水平向的合力，側向位移d為支座在某一時刻水平方向與側向力F對應的支座水平位移，K1為支座滑動之前的剛度，K2為支座滑動之后的剛度，F(xiàn)cr為滑動支座水平方向的滑動臨界力，可按下式計算

式中N為支座承受的動載作用和恒載作用引起的豎向反力，f為支座接觸面的滑動摩擦系數(shù)。采用圖5(b)所示的滑動準則，判別支座是否進入了滑動狀態(tài)。在地震作用下，如在某一時刻，支座受到的水平方向的地震力分別為Fx、Fy，則支座受到的水平方向地震合力為

圖5 滑動支座單元分析

3.3 方法有效性分析

為了驗證提出的地震位移控制方法的有效性，采用上述方法對連續(xù)梁橋算例進行非線性時程反應分析，即將支座3、5、6、8換成鉛芯橡膠支座，其余支座仍使用板式橡膠支座。把全部使用板式橡膠支座的計算結果作為基數(shù)，改進后的支座組合的計算結果與之比較，以“+”、“-”號表示增減；橋面剛度為K=25 000 kN/m，按順橋方向進行計算。

圖6 地震作用下各支座位移變化折線圖

由上述計算結果可知：使用鉛芯橡膠支座后，支座變形最大值雖有所增加，但是，橋墩處的剪力和彎矩卻降低了。由于支座發(fā)生滑動后，全橋在順橋向缺少足夠的恢復力，使得梁體不穩(wěn)甚至造成落梁。因此引入恢復力機制，研究全部使用板式橡膠支座橋梁與使用支座組合橋梁兩種情況下，支座最大位移及支座殘余位移。結果表明：使用本文方法后，支座殘余位移大大減少，恢復力的引入使得原橋梁體系隨遇平衡狀態(tài)得以改善，地震中梁體能在平衡位置附近多次往復，支座及其上梁體殘余位移大為減少。

表3 地震作用下橋基處剪力彎矩匯總表

4 結語

(1)隨著接觸面摩擦系數(shù)的增大，板式橡膠支座變形的最大值總體上呈現(xiàn)為下降趨勢，并且當摩擦系數(shù)足夠大時，支座變形不再隨摩擦系數(shù)的變化而變化，此時表示支座與接觸面之間不發(fā)生相對滑動。且橋墩越高，變化的曲線越先呈現(xiàn)為水平線，即橋墩較高時，支座與接觸面之間不易發(fā)生相對滑動；

(2)同等條件下，使用鉛芯橡膠支座后，支座變形最大值雖有所增加，但是，橋墩處的剪力和彎矩卻降低了。橋梁結構使用鉛芯橡膠支座隔震后，地震對橋墩的作用減少很多，從而起到了很好的隔震效果；

(3)提出在板式橡膠支座橋梁中，對稱橋墩處改置一鉛芯橡膠支座，其余各處仍設置板式橡膠支座的方法進行地震位移控制。當橋梁遭遇地震作用使得鉛芯屈服，其余的板式橡膠支座發(fā)生滑動時，鉛芯橡膠支座能夠提供接近于普通分層橡膠支座的剪切剛度，提供一定的恢復力幫助支座上的梁體回到平衡位置，因此該方法能有效地控制支座以及其上梁體的地震位移。

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SeismicResponseAnalysisofLaminatedRubberBearing’sSliding

ZHANGBin,LIUXin,LIYang

(Institute of Civil and Transportation,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,Liaoning China)

∶Support is an important component of bridge.The rubber support is usually placed on the top of the pier directly and the shear force is transmitted to it from the superstructure due to the friction.In the earthquake condition,sliding may occur in the interface between the support and the pier.The model of a single pier and a laminated rubber support is established and the dynamic characteristic of the laminated rubber support in the sliding is analyzed.Taking a continuousbeam bridge as the object,the Midas code is used to conduct the seismic response analysis of the bridge structure based on nonlinear time-history method.The possible defects of the laminated rubber support are discussed.A new method for controlling girder’s seismic displacement is proposed,in which the laminated rubber supports on symmetrical piers in the continuous-beam bridge are replaced by lead-rubber supports.The results show that the new method is effective in controlling the support and girder’s seismic displacement and avoiding the girder’s falling disaster.

∶vibration and wave;girder bridge;laminated rubber bearing;time history response analysis; displacement control

∶U442.5+5< class="emphasis_bold">文獻標識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.029

1006-1355(2014)06-0131-04

2014-02-18

國家安監(jiān)總局項目（0505079）；

遼寧省教育廳項目（1.2011048）

張彬（1960-），男，遼寧省丹東市人，博士，現(xiàn)為遼寧工程技術大學教授、博士生導師，主要從事橋梁與隧道工程學科的教學與科研工作。

劉欣（1989-），女，遼寧省沈陽市人。

E-mail∶feizhuliu0529@126.com