淺析板式橡膠支座地震的易損性

石 鉑

(太原市政建設(shè)集團有限公司，山西太原 030002)

在橋梁建筑中上下部分的結(jié)構(gòu)依靠板式橡膠支座連接，是防止建筑水平變形、承受上部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，是橋梁建筑的重要組成部分。因板式橡膠支座的成本不高、結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)⑹芰侠矸稚⒌膬?yōu)點，在橋梁建筑中具有非常大的使用價值，尤其在地震帶的橋梁構(gòu)建中，可以有效的減少橋墩對受地震影響而產(chǎn)生震動的吸收，因此在橋梁避震設(shè)計方面也有著廣泛的應(yīng)用。

近幾年在地震地區(qū)的橋梁調(diào)查研究表明，支座結(jié)構(gòu)是地震中受力變形的主要部位，將直接導(dǎo)致墩臺之間的錯位和支座受到損壞。基于此類情況，本文通過分析橋梁工程的施工過程，分析了橡膠支座在受力變形和墩臺之間的應(yīng)力關(guān)系，從易損性的角度來探討了橡膠支座的抗震能力，以期為同行提供些許經(jīng)驗。

1 板式橡膠支座的應(yīng)力特征

1.1 板式橡膠支座的的受力計算

板式橡膠支座是現(xiàn)今橋梁建筑行業(yè)內(nèi)廣泛使用的制作，其具有安裝便捷、結(jié)構(gòu)簡單等特點。其中GYZ的圓形板式橡膠支座，是使用橡膠和鋼板多層粘合、固化而形成的。在機械平面上具有優(yōu)異的各向同行，尤其適合小跨徑的橋梁建筑工程;對于地震的抗震性，能夠有效的減少了震動對橋臺和橋墩的震動沖擊;剪切變形也是能夠滿足橋梁各個結(jié)構(gòu)的相對位移，為上下構(gòu)件之間提供良好的剪切變形［3］。

板式橡膠支座因其內(nèi)部有鋼板能夠限制橡膠的橫向變形，所以支座的縱向剛度有了很大的提升，同時對于橡膠層的剪切變形剛度并不影響，在不考慮板式橡膠支座與墩梁之間的摩擦滑動時。按照《公路橋梁抗震設(shè)計細則》，剪力位移的受力可近似使用下列公式表達［5］:

其中，F(xiàn)為支座的剪切力;x為相對位移;K為剪切剛度。

1.2 橡膠支座損傷指標(biāo)

橡膠支座因其層疊的結(jié)構(gòu)，具有很好的韌性和柔軟度，能夠有效的保證橋梁構(gòu)建的使用壽命，但超過一定范圍的剪力依舊會導(dǎo)致支座被損壞，支座能夠承受的剪力變形，應(yīng)根據(jù)墩梁的相對位移數(shù)，與橡膠支座的累加層數(shù)之比，來確定最大的剪切變應(yīng)。而橡膠支座的厚度，需根據(jù)我國的抗震規(guī)范［5］來確定不同震級下的厚度。根據(jù)國標(biāo)建筑抗震設(shè)計規(guī)定，在不同的震級作用下，建筑應(yīng)有不同的抗震性能。

其中，XE為支座在不同效應(yīng)條件組合情況下的相對位移;tanλ為橡膠的剪切角的正切值，取值1。故在極端情況下，支座的最大相對位移與剪切變應(yīng)，要與100%時支座相對位移之比相等。

2 支座易損曲線的推算

2.1 地震波模擬

在使用數(shù)理統(tǒng)計進行概率分析時，地震的三個重要相關(guān)參數(shù)為:峰值加速度、持續(xù)時間、頻譜特征，是保證分析過程準(zhǔn)確的重要前提條件［1］。本文采用國家地震局發(fā)布的數(shù)據(jù)信息中，根據(jù)我國地震高發(fā)地區(qū)，選取100條分布盡量分散的地震波進行分析。

2.2 計算模型選擇

采用非線性分析法及SAP2000作為分析軟件，對橋梁及結(jié)構(gòu)進行分析。在既往資料分析中可以發(fā)現(xiàn)，在實際地震中主梁基本能夠保持結(jié)構(gòu)和功能的完好不被破壞，因此本文分析是采用彈性梁模擬進行［7］。

3 板式橡膠支座易損的探討

3.1 易損原理分析

建筑結(jié)構(gòu)在地震中的易損性可以理解為，在受到地震影響時其結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的發(fā)生概率，可以使用如下公式表達:

其中，IM為地震動參數(shù)(等于地震波的PGA與地震譜加速度SA的比值，即為PGA/SA);C為結(jié)構(gòu)或者是構(gòu)件的能力(Capacity);DI為結(jié)構(gòu)或是構(gòu)件的損傷計量，對應(yīng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件需求(Damage Index，Demand)。橋梁建筑在施工的過程中，常常使用易損曲線來測算結(jié)構(gòu)的抗震易損性。

3.2 易損原因分析

通過實際公式運算:

其中，Umax為外力震動下的容許最大相對位移;γα為容許的剪切應(yīng)變，根據(jù)不同的內(nèi)力組合形式選取相應(yīng)的數(shù)值，正常情況下取值為70%，大地震時候取值250%，中小地震取值150%;∑t為橡膠支座的總厚度。在地震波加速度超過0.2g的時候，橋墩和支座的受損傷概率，與地震波的加速度SA呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，隨著地震波速度的加快受損概率也隨之加大［6］。當(dāng)支座比橋墩低小的時候，相對位移延性能力也較小;同時橋墩較柔軟的時候，在地震作用下柔性墩能夠吸收部分震動的能力，使得支座相抵位移減小，但完全剛性的橋臺，會直接導(dǎo)致相對位移的增大。因此，在不同強度的震動時，板式橡膠支座相較于橋墩的構(gòu)件，受到損壞的概率更大。

4 我國現(xiàn)階段支座存在的問題分析

現(xiàn)階段，我國國內(nèi)的橋梁支架技術(shù)發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，但依舊存在著諸多問題，詳列如下:

1)支座與上下構(gòu)件的位置放置存在偏差，這一方面的問題包括了橫向與縱向位置放置顛倒、橫橋與順橋的位置不能夠相互完整對應(yīng)，由此產(chǎn)生支架和墩臺之間的位置錯位而造成支架的損壞。2)鋼板未能進行防腐處理而造成損壞:橋梁支架的底座一般使用鋼板來維持固定，但鋼板暴露在空氣中時，容易受到雨水或是河水的腐蝕，沒有進行防腐處理的鋼板腐蝕速度尤其迅速。3)支座在施工的過程中，沒有嚴格控制墊石的標(biāo)高，由此對于橋梁的負荷會有不同的影響，對于橋梁的使用年限及安全性都存在著不同程度的隱患［4］。其中主要包括有砂漿澆筑技術(shù)是否合格，是否能夠杜絕內(nèi)部脫空、支座與上下構(gòu)件之間的墊板和墊石的尺寸是否符合實際應(yīng)用的情況，以及支座是否受力不夠均勻，甚至存在施工完成后可移動的情況。4)不同設(shè)計原理的橋梁，在選擇支架的時候要有所不同，應(yīng)充分的考慮到橋梁的載重設(shè)計，嚴格按照設(shè)計圖紙上的設(shè)計施工，改用其他型號的支座時，要對整體橋梁的工程進行重新的評估。

5 橡膠支座易損優(yōu)化策略

首先，在支座安裝施工前進行全體人員的培訓(xùn)，要依照相關(guān)施工流程，做好施工的圖紙核對、施工方案的選定，減少不必要的流程，以便將誤差控制在可控的范圍內(nèi)。對于技術(shù)工種的管理，應(yīng)做到按規(guī)章流程進行施工，不可仰仗“經(jīng)驗主義”，對于每一個施工環(huán)節(jié)都要做好認真和負責(zé)?？茖W(xué)的管理各個工種和崗位的人員安排。對于存在異議的施工技術(shù)，不應(yīng)停留在討論上，更應(yīng)落實到實際的測算和設(shè)計中，現(xiàn)場施工的操作人員更需要對每一個環(huán)節(jié)必須掌握，監(jiān)理方嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)履行自身的責(zé)任，沒有驗收通過前不能夠進入下一施工環(huán)節(jié)。

其次，對于圖紙的前期設(shè)計工作，要求設(shè)計人員嚴格按照國家和行業(yè)相關(guān)的法律法規(guī)進行設(shè)計，選用標(biāo)號合適的鋼筋等原材料，對于建筑的抗震性和支架結(jié)構(gòu)進行精準(zhǔn)的測算。在設(shè)計開始階段，就要留存好與本次設(shè)計所有有關(guān)的文件、圖紙和法律法規(guī)文件，并進行編號統(tǒng)一管理。

最后，在檢查復(fù)核階段要對橋梁支架以及整體的情況進行檢查，核對是否按照設(shè)計圖紙進行了施工，是否沒有按照施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)放置之間和相關(guān)構(gòu)件。若是發(fā)現(xiàn)有不合格的支架，或是支架已經(jīng)產(chǎn)生剪切變形、尺寸不符合實際的需求情況，要及時的更換以及加固。對于支架底部固定的鋼板，在不符合要求的時候也要進行更換，同時要對暴露的部分進行防銹的處理。

在以上方法不能夠達到預(yù)計的施工效果時，可以采用聚四氟乙烯滑板支架。在保證設(shè)計安全的前提下，對于能夠適度增加橋臺支架高度的設(shè)計，可以考慮使用聚四氟乙烯滑板支架，以便對應(yīng)更大的相對位移，以保證支架的使用壽命和建筑構(gòu)件之間的連接完整。通過對比普通橋臺支架和滑板支架之間易損性分析，聚四氟乙烯滑板支架的損傷概率有明顯的改善［8］。

值得特別注意的是，在地震波加速范圍在0.3～0.35之間時，橋臺支座會引起自身的環(huán)形結(jié)構(gòu)受到有效的約束，僅造成一般程度的損壞，在橋臺支架沒有足夠的高度，是其受到損壞的重要因素。在保持相同的前提條件下，將橋臺支座的高度設(shè)計為橋墩支座的1倍～1.2倍時，通過復(fù)檢能夠明顯的改善橋臺支架的位移應(yīng)變能力，提高支座對于地震的抗震性［6］。

6 結(jié)語

通過非線性的建模，以及概率分析法的分析，板式橡膠支座的受力得出以下結(jié)論:1)板式橡膠支架相較于橋墩更容易受到地震的影響，損壞的概率也隨之變大，在橋梁設(shè)計中特別是地震多發(fā)地區(qū)的設(shè)計，要引起相關(guān)的重視。2)橋臺支架在地震的作用下，相對位移較大對于橋梁建筑的安全性和使用年限都較大影響。提高支座的的高度或是改用聚四氟乙烯滑板支座，都是可以在一定程度改善抗震性，降低支座在地震的損壞概率。

本文分析了橋梁支座在施工過程中存在的一些問題，同時也提出相關(guān)的解決策略，支座的合理選擇嚴格施工，對于橋梁建筑的安全以及社會影響都有著重要而深遠的現(xiàn)實意義，對于小跨度的橋梁支座的安裝和維護也具有一定的參考價值和實際的借鑒意義。嚴格的施工、精準(zhǔn)的設(shè)計、全面的后續(xù)養(yǎng)護，才能夠為橋梁建筑保證質(zhì)量，現(xiàn)書寫成文以供同行借鑒使用。