鉛芯橡膠支座對橋梁橫向抗震減碰影響分析

郭 超 劉文會 趙啟琛 劉長彬

（吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118）

0 引言

由于我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞大陸地震帶之間,它們是目前全球各個大陸性地區(qū)中最活躍的地震帶之一,并且它們都具有頻率高、強(qiáng)度大且分布廣等基本優(yōu)勢[1]。橋梁作為人類發(fā)展歷程和交通連接中不可替代的基礎(chǔ)設(shè)施，它的安全性與可靠性對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人類生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要影響。如今我國橋梁總量已經(jīng)十分巨大，其中中小跨徑橋梁約占我國總橋梁數(shù)的93.5%[2]。此類橋梁通常選擇采用板式的橡膠支座,主梁直接放在支座上,通過蓋梁兩側(cè)的擋塊限制在強(qiáng)烈地震的作用下主梁的橫向位移,防止主梁的橫向墜落。

大量公路橋梁震害資料表明，地震導(dǎo)致的橫向碰撞震災(zāi)是不可忽視的[3-4]。本文以我國西北部典型的公路橋梁為例，通過opensees 探討了鉛芯橡膠支座對公路橋梁的減碰效果。

1 工程概況

1.1 實(shí)例橋梁

以我國西北部典型的一座3 30m 公路橋梁為例。主梁采用強(qiáng)度等級為C50 混凝土，蓋梁及橋墩采用C30 的混凝土。主梁截面采用單箱雙室，主梁高1.8m、主梁寬12m；蓋梁尺寸為9.3m 1.6m 1.8m，蓋梁兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋塊；橋墩為圓形鋼筋混凝土雙柱墩，墩高10m，直徑1.5m。

1.2 地震動的輸入

為了更加準(zhǔn)確的模擬地震動并且評價(jià)抗震減碰效果，本文根據(jù)所選橋梁的實(shí)際工程場地背景進(jìn)行地震波的選取。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[5]，從太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫（PEER Ground Motion Database）中選取3條實(shí)際地震波記錄，選取3 條地震動中最大的一條進(jìn)行地震響應(yīng)分析。本文主要研究鉛芯橡膠支座在地震作用下對橋梁橫向抗震減碰效果，地震動只沿橫橋向進(jìn)行輸入。

2 有限元模型

2.1 全橋有限元模型

本文采用OpenSees 建立全橋模型。主梁和蓋梁采用彈性梁柱單元（element elasticBeamColum）；橋墩采用非線性梁柱單元（element nonlinearBeamColum），墩柱內(nèi)非約束混凝土不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度，用concret01 模擬;約束混凝土用concret04 模擬;混凝土橋墩的約束鋼筋采用Giuffre-Menegotto-Pinto 本構(gòu)模型，用steel02 進(jìn)行模擬;基礎(chǔ)部分采用固端約束。

2.2 支座的模擬

本文主要研究鉛芯橡膠支座在地震作用下對橋梁橫向抗震減碰效果，因此選用板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別建模，在全橋其他參數(shù)和所加地震波都相同的基礎(chǔ)上，對比兩種支座在橫向抗震減碰上的優(yōu)勢。

板式橡膠支座采用彈性支座單元模擬，其力學(xué)性能如圖1 所示；鉛芯橡膠支座選用非線性分析模型中的雙折線模型[6-7]來模擬本文所用到的鉛芯橡膠支座，其雙折線模型曲線如圖2 所示，可得到雙折線模型可以完全由彈性剛度k1、屈服剪力Q、屈服剛度K2來表示，在 opensees 中用steel01 來模擬。

圖1 板式橡膠支座力學(xué)性能

圖2 雙折線本構(gòu)曲線

2.3 擋塊的模擬

橋梁擋塊作為在地震作用下限制主梁位移、防止橫向落梁的主要構(gòu)件，在有限元軟件中的準(zhǔn)確模擬非常重要。本文選取《鋼筋混凝土擋塊抗震性能及改進(jìn)試驗(yàn)》[8]中試驗(yàn)的鋼筋混凝土擋塊，作為本文橋梁所用的擋塊，試驗(yàn)得到的相關(guān)參數(shù)，如表1 所示。其力學(xué)性能模型采用三折線簡化滯回模型[9]，如圖3 所示。

圖3 擋塊簡化滯回曲線模型

Opensees 中沒有直接能夠模擬鋼筋混凝土的材料本構(gòu)，由于要模擬碰撞擋塊受壓和主梁與擋塊之間的間隙，本文采用ElasticPPGap(Elastic-Perfectly Plastic Gap Material)材料進(jìn)行模擬。通過對多個ElasticPPGap 材料數(shù)值的設(shè)置，并用Parallel 材料來并聯(lián)在一起組合成鋼筋混凝土簡化模型。

表7 擋塊參數(shù)

3 鉛芯橡膠支座橫向抗震減碰效果分析

為了研究鉛芯橡膠支座對公路橋梁橫向的抗震減碰效果，進(jìn)一步分析了相同前提條件下使用普通板式橡膠支座和使用鉛芯橡膠支座兩種計(jì)算模型對比值。以3 條地震波中響應(yīng)的最大值為代表值，分析了在相同結(jié)構(gòu)條件下，主梁橫向位移時(shí)程曲線，如圖4 所示。相比于使用板式橡膠支座的工況，使用鉛芯橡膠支座的主梁最大位移為75mm，而使用板式橡膠支座的主梁最大位移為96mm，可以看出鉛芯橡膠支座能夠有效地限制主梁橫向位移；圖5為采用鉛芯橡膠支座和采用板式橡膠支座所產(chǎn)生的墩頂位移時(shí)程對比曲線，采用板式橡膠支座所產(chǎn)生的最大墩頂位移為14mm，采用鉛芯橡膠支座所產(chǎn)生的最大墩頂位移為5mm 降低了64%。說明鉛芯橡膠支座能夠有效地限制主梁橫向位移和墩頂位移。

圖4 主梁橫向位移

圖5 墩頂位移

圖6 和圖7 分別是使用板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座#1 墩和#2 墩所在位置主梁與擋塊的碰撞力時(shí)程，由圖6 可以看出#1 墩位置采用鉛芯橡膠支座的計(jì)算模型主梁與擋塊的最大碰撞力為68KN，相比于采用板式橡膠支座的計(jì)算模型主梁與擋塊產(chǎn)生的最大碰撞力89KN，降低了24%，并且碰撞次數(shù)也有所減少；由圖7 可以看出#2 敦位置采用鉛芯橡膠支座的計(jì)算模型主梁與擋塊的最大碰撞力為49KN，相比于采用板式橡膠支座的計(jì)算模型主梁與擋塊產(chǎn)生的最大碰撞力98KN，降低了50%，并且碰撞次數(shù)也有所減少。說明鉛芯橡膠支座能夠有效地減小主梁與擋塊的碰撞力和碰撞次數(shù)。

圖6 #1 墩主梁與擋塊碰撞力

圖7 #2 墩主梁與擋塊碰撞力

4 結(jié)論

（1）使用鉛芯橡膠支座能夠使中小跨徑公路橋梁的主梁橫向位移顯著降低，并且能夠減小墩頂位移。

（2）采用鉛芯橡膠支座還可以有效地減小主梁與擋塊的碰撞力以及碰撞次數(shù)，橫向抗震減碰效果十分理想，且鉛芯橡膠支座也屬于經(jīng)濟(jì)適用的橋梁支座，便于工程使用。