不同支承體系的橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)分析

孫梗梗 張 舜

1寧夏拱業(yè)建設(shè)工程有限公司（750004） 2 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院（750021）

1 板式橡膠支座體系與鉛芯減震隔震橡膠支座體系

一般的梁式橋梁結(jié)構(gòu)由三個(gè)部分構(gòu)成，即上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及支座。 常見支座又可分為板式橡膠支座與減震隔震支座。常見的普通支座以普通板式橡膠支座為代表，常見的減震隔震支座以鉛芯減震隔震橡膠支座、盆式支座等為代表[1]。

1.1 板式橡膠支座

在我國大部分梁橋體系中，板式橡膠支座體系最為常見。 一聯(lián)兩端設(shè)置聚四氟乙烯滑板支座，一聯(lián)除聯(lián)端其余位置或簡支體系梁端均設(shè)置普通板式橡膠支座。聚四氟乙烯滑板支座的設(shè)置部位使得梁結(jié)構(gòu)在溫度等作用下產(chǎn)生位移，避免結(jié)構(gòu)成為超靜定體系，進(jìn)而消耗能量避免結(jié)構(gòu)破壞。 普通板式橡膠支座在縱橋與橫橋向?qū)α后w有一定的約束力，且該結(jié)構(gòu)體系僅在線彈性階段正常工作。若達(dá)到非線性階段則意味該體系已被破壞，而結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生足夠的變形則無法吸收外部激勵(lì)所疊加的荷載。

1.2 鉛芯減震隔震橡膠支座

鉛芯減震隔震橡膠支座常用于橋梁體系，在跨徑較為適中的體系最為常見。減震隔震支座工作原理多種多樣，但工作目的基本相同。 該類型支座在普通板式橡膠支座基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到減震隔震作用。在普通板式橡膠支座內(nèi)部加入一根或多根高純度的鉛芯，當(dāng)外部激勵(lì)作用時(shí)，內(nèi)部鉛芯發(fā)生剪切變形以達(dá)到耗能目的，使得上下部結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，以保護(hù)上下部結(jié)構(gòu)免受傷害[2]。

2 不同支承體系動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1 橋梁支撐體系的更換

現(xiàn)以西北地區(qū)一國道橋梁（如圖1 所示）為例進(jìn)行分析。該橋上部結(jié)構(gòu)3 m×20 m×2 m。 主梁為預(yù)應(yīng)力空心板，下部結(jié)構(gòu)為框架墩，該結(jié)構(gòu)體系原采用直徑為250 mm 圓形板式橡膠支座， 單個(gè)支座豎向承載極限為452 kN，每跨共20 片預(yù)應(yīng)力空心板，單跨所需豎向承載力為36 160 kN。 現(xiàn)保持原橋上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)不變，將原有板式橡膠支座模擬方式更改為鉛芯隔震橡膠支座。 更改為40 個(gè)鉛芯隔震橡膠支座，其型號為Y4Q520×133G1.0，支座直徑為420 mm，豎向承載極限為1 000 kN，初始剛度為6.4 kN/mm， 屈服極限為61 kN， 屈服剛度為1.0 kN/mm。

圖1 實(shí)例橋梁構(gòu)造圖

2.2 結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性分析

對更改支座后的有限元模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析。 結(jié)構(gòu)體系周期縮短，頻率增加，進(jìn)而可以得知結(jié)構(gòu)剛度有所增大。 由于原有結(jié)構(gòu)采用普通板式橡膠支座，一聯(lián)豎向承載力為108 480 kN，在靜力的作用下每聯(lián)整體縱向與橫向剛度均為351 840 kN/m。每聯(lián)結(jié)構(gòu)體系鉛芯隔震橡膠支座豎向承載極限為120 000 kN， 在靜力作用下其縱向與橫向剛度為768 000 kN/m。 經(jīng)過有限元軟件分析，得到原結(jié)構(gòu)體系前三階頻率分別為1.95 Hz、2.06 Hz、2.10 Hz。更改支座后結(jié)構(gòu)前三階頻率分別為2.50 Hz、2.76 Hz、2.77 Hz。

由上可得更換支座后，原有結(jié)構(gòu)在水平向剛度小于更改后體系，有限元模型與實(shí)際規(guī)律符合。 但所更換鉛芯減震隔震橡膠支座型號為現(xiàn)有規(guī)范最小型號，依舊與原結(jié)構(gòu)體系剛度有所差距[3]。 但通過下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及支座處位移才可看出二者差異。

3 不同支承體系地震響應(yīng)特性

本橋?yàn)锽 類橋梁，抗震重要性系數(shù)根據(jù)規(guī)范設(shè)定為1.7。橋址所在地為設(shè)防8 度，場地類別為Ⅱ類，加速度峰值為0.2 g，即本橋有限元模型時(shí)程函數(shù)峰值應(yīng)為0.34 g。 記錄計(jì)算后各個(gè)橋墩墩頂、墩底、樁基內(nèi)力最大處的內(nèi)力值及各個(gè)支座處的位移大小。

3.1 下部結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)內(nèi)力

通過有限元計(jì)算得到兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果較為接近， 其下部結(jié)構(gòu)軸力值均在2 800～3 100 kN，剪力值在550～650 kN，墩頂彎矩在1300 kN·m 左右。各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)內(nèi)力均通過截面驗(yàn)算，達(dá)到安全要求。

現(xiàn)比對不同支承條件下的橋墩墩頂、 墩底、樁基處軸力、剪力、彎矩的比值（如圖2 所示）。

圖2 15#墩不同支承內(nèi)力比值

圖2 為普通板式橡膠支座各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與鉛芯減震隔震橡膠支座對應(yīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力比值。 很明顯，二者軸力比值差異可忽略不計(jì)，而剪力與彎矩稍有差異。

3.2 支座處各節(jié)點(diǎn)位移

不同支承體系的橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下，各個(gè)截面處節(jié)點(diǎn)位移見表1。

表1 不同支承體系支座處位移

由表1 可知，在相同的外部激勵(lì)作用下，普通板式橡膠支座產(chǎn)生的位移大于鉛芯減震隔震支座，普通板式橡膠支座產(chǎn)生最大位移為2.2 cm，而鉛芯減震隔震支座最大位移僅為1.1 cm。

4 不同支承條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

4.1 內(nèi)力分析

在水平地震作用下，下部結(jié)構(gòu)的軸力主要體現(xiàn)在自重方向，故而受外部激勵(lì)較小。

鉛芯減震隔震支座體系下剪力大于另一體系。在兩種支座承載力接近的情況下，鉛芯減震隔震支座水平向剛度大于普通板式橡膠支座，故而在剪力傳遞過程中，減震隔震支座耗能較小，剪力稍大。

減震隔震體系中，下部結(jié)構(gòu)彎矩稍小。 在截面驗(yàn)算中，由PM 曲線可知，受壓情況下，軸力大小一定，彎矩越小越安全。

4.2 位移分析

在相同外部激勵(lì)作用下，下部結(jié)構(gòu)截面均通過截面驗(yàn)算，且數(shù)值較為相近，但支座處位移差異較大，其中普通板式橡膠支座位移較大，鉛芯減震隔震橡膠支座位移較小。 外部激勵(lì)能量相同，下部結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力差異可忽略不計(jì)，則支座處的能量差異較小。 通過有限元計(jì)算與支座工作原理可知，減震隔震支座通過變形消耗能量， 使得支座處位移較小，而普通板式橡膠支座無法通過耗能而減小位移。

5 結(jié)語

相同結(jié)構(gòu)采用不同支承體系在外部激勵(lì)作用下會(huì)產(chǎn)生不同的情況。 減震隔震支座可以有效消耗外部傳遞能量， 以避免結(jié)構(gòu)體系發(fā)生較大位移，同時(shí)保護(hù)下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)。 以確保橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。