鉛芯橡膠支座在連續(xù)梁橋中的抗震應(yīng)用分析

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

引言

鉛芯橡膠支座作為一種有效的減隔震裝置[1-2]廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的橋梁中，美國目前已經(jīng)有114座隔震橋梁，大部分釆用鉛芯橡膠隔震支座[3]，而在日本2000年全年度審查的隔震結(jié)構(gòu)中,采用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)數(shù)量占總數(shù)的50%以上,我國則占到90%以上，因此國內(nèi)的鐵道部科學(xué)研究院的吳彬，以及西南交大的王強(qiáng)等對鉛芯橡膠支座力學(xué)性能，支座的破壞，以及連續(xù)橋梁地震反應(yīng)分析開展了大量的研究工作。通過研究這些文獻(xiàn)，對支座的破壞，鉛芯支座的力學(xué)性能和應(yīng)用進(jìn)行簡單的歸納綜述。

一、在連續(xù)橋梁中支座震害破壞實(shí)例

橋梁支座是橋梁的薄弱部位，震害普遍。在1995年的日本坂神地震中，支座的破壞比例達(dá)到了調(diào)查總數(shù)的28%。在2010年，1月12日，海地發(fā)生里氏7.3級地震，橋梁支座的破壞不在少數(shù)。在2011年的東日本大地震中，大量減隔震建筑都經(jīng)受了強(qiáng)烈地震的實(shí)際考驗(yàn)[5]。在2008年的汶川地震中，百花大橋等連續(xù)梁橋也出現(xiàn)了嚴(yán)重的支座震害，以致百花大橋垮塌。因此支座的選型和適當(dāng)布置對連續(xù)梁橋的抗震有重要意義。支座震害主要是由錨固螺栓拔出后剪斷造成的支座位移，活動支座脫落，和支座自身構(gòu)造破壞引起的。

橋梁支座在地震中的破壞可以分為以下幾個(gè)階段[6]：正常使用階段,把固定支座看成剛度固定的彈簧,活動支座看成摩擦系數(shù)固定的摩擦面。損傷發(fā)展階段,把固定支座的破壞失效看作彈簧的剛度降低，活動支座則達(dá)到極限位移，出現(xiàn)脫空，卡死等現(xiàn)象，而上下錨固的支座發(fā)生剪切破壞。完全失效階段，固定支座已成為了摩擦模型，狀態(tài)復(fù)雜，支座殘余構(gòu)件與上下部結(jié)構(gòu)的混凝土之間產(chǎn)生干摩擦，活動支座也產(chǎn)生同樣的干摩擦,或因殘部咬合形成固結(jié)狀態(tài)。地震中支座的破壞主要是由于其力學(xué)性能不能滿足抗震要求而造成的。剛度不夠，則無法承受過大的荷載，而造成自身構(gòu)造的破壞。阻尼性能差，則當(dāng)支座剛度降低，產(chǎn)生過大位移時(shí)，無法控制其位移的限值，從而使支座脫落，在錨固處發(fā)生剪切破壞。因此選取抗震支座時(shí)，需考慮其力學(xué)性能。

二、鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能

鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能主要由其本身的材料及尺寸所決定[7]，根據(jù)莊軍生[8]采用等效線性化模型參數(shù)的試驗(yàn)和吳彬[9]采用非線性動態(tài)分析力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究表明鉛芯橡膠支座的等效剛度，等效阻尼比，初始剛度，屈服后剛度，特征強(qiáng)度在往復(fù)加載，卸載循環(huán)過程中具有良好的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)表明支座的水平耗能特性隨剪應(yīng)變增大而增大，有著良好的地震耗能性。等效剛度，隨剪應(yīng)變的增大而減小，延長了地震周期，以此來減小地震反應(yīng)的能量(上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，層間剪力等)，減小了支座破壞的可能性，但同時(shí)增大了上部結(jié)構(gòu)的位移。合適的等效阻尼比則能夠減小動位移，將上部結(jié)構(gòu)的位移控制在允許范圍之內(nèi)，使支座不會產(chǎn)生過大的滑動位移。剛度，提供給橋梁正常使用時(shí)的必要剛度，同時(shí)使橋梁的橋墩各處擁有同樣的初始剛度，使橋墩平均受力，共同抵抗地震作用。合適的屈服后剛度，可以使延性需求和累積滯回耗能在結(jié)構(gòu)中的分布更為均勻,避免出現(xiàn)局部損傷集中和形成局部破壞機(jī)制,且震后具有較小的殘余變形,有利于震后結(jié)構(gòu)修復(fù)。支座的特征強(qiáng)度則提供良好的豎向承載力。

由于鉛芯橡膠支座具有穩(wěn)定性能好，水平耗能大，剛度和阻尼比合適等優(yōu)點(diǎn)，鉛芯橡膠支座的滯回曲線飽滿，整個(gè)結(jié)構(gòu)塑性變形能力強(qiáng)，有良好的滯回耗能能力，即有良好的抗震性能。

三、鉛芯橡膠支座在連續(xù)梁中的抗震效果

根據(jù)鐘鐵毅等[10]對鉛芯橡膠支座隔震連續(xù)梁橋的地震能量的分析和吳斌[11]對在橋梁工程中減、隔震應(yīng)用的研究，表明地震中連續(xù)梁橋所受到的地震能量主要由滯回耗能和阻尼耗能承擔(dān)，且滯回耗能承擔(dān)了4/5的能量，鉛芯橡膠支座通過自身的不可恢復(fù)的變形，消耗了大部分地震能量，但結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件仍處于彈性工作狀態(tài)，因此減少了結(jié)構(gòu)的非彈性變形,達(dá)到了保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。

鉛芯橡膠支座的滯回耗能在地震中的具體表現(xiàn)，可以根據(jù)王強(qiáng)[12]對大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋地震反應(yīng)和聶肅非[13]的研究得出，在加入鉛芯橡膠支座之后,墩的內(nèi)力量雖然比采用普通橡膠支座時(shí)大，但相差很小(約5%-10%)，梁位移卻比采用普通橡膠支座時(shí)減少70%-80%以上。其支座剪力以及墩底的剪力和彎矩均明顯減小,說明支座能有效地減少橋梁結(jié)構(gòu)的橫向墩底剪力和墩底彎矩峰值,即有效的吸收了地震能量，減小了結(jié)構(gòu)的非彈性變形。由此可見,鉛芯橡膠支座比普通橡膠支座更加適合應(yīng)用于橋梁隔震。

四、結(jié)束語

鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能由其本身材料和尺寸決定,其擁有良好的力學(xué)性能。鉛芯橡膠支座通過延長橋梁的結(jié)構(gòu)周期，來吸收能量，以此降低地震力。其耗能能力阻尼則減小動位移，使得位移在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，其剛度和屈服則是其在水平力下不屈服變形和發(fā)生破壞?？偟膩碚f，鉛芯橡膠支座耐久性好，抗低周期疲勞性能良好，具有足夠的安全儲備，適用于各種類型橋梁的抗震，通過對其在連續(xù)梁橋中的抗震應(yīng)用，可知鉛芯橡膠支座能有效的消耗地震能量，有明顯的減震效果，能大幅度的減小了上部的位移，墩底的剪力和彎矩，避免了支座震害的發(fā)生，較普通支座有著明顯的優(yōu)勢。