橋梁滑移減隔震支座減震性能試驗分析

崔海軍

（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑工程學院，江蘇 揚州 225127）

為了延長橋梁結構周期，消耗地震能力達到減震作用，橋梁結構減震設計對保障人身安全及社會效益來說意義重大。通過應用減隔震技術可以有效延長橋梁結構周期，減小橋梁結構地震的影響后果，減隔震支座的本質(zhì)作用是為了分開可能破壞橋梁結構的作用力，在上下部結構之間設計隔震耗能裝置。目前此類裝置已經(jīng)在多個橋梁工程中廣泛應用，且減隔震支座技術作用也得到了充分認可。本次研究作為基于現(xiàn)階段國內(nèi)外常規(guī)所用減隔震支座基礎上，提出的一種新型鉛芯橡膠隔震支座設計思路，通過對此減隔震支座的減震性能進行仿真分析，證明設計此新型支座結構，能夠獲得較好的剪切位移并滿足豎向剛度應用需求，有效延長了橋梁結構的自振周期，減小地震響應達到了預期減隔震效果。

1 項目概況

本次以某地T型橋梁結構為例，運用ANSYS有限元仿真模型，以《公路橋梁抗震設計細則》為研究指導，設計地震作用下計算橋梁滑移減隔震支座的抗震性能。此橋梁越河而建，PK23+619中心橋梁樁號，地處低平略有丘陵起伏，地質(zhì)基本為1 m厚度硬殼層，上部主要是17.3~21.3 m的淤泥質(zhì)土，強度不高，下部主要為稍密的亞砂土，含有少量粘性土，中層主要為軟塑狀壓黏土。橋面連續(xù)T梁結構，設計橋梁結構基準期為100年。

2 橋梁滑移減隔震支座結構設計

此種新型減隔震支座結構采用上下串聯(lián)形式，在上下部分設計轉換裝置，上下分別為聚四氟乙烯-不銹鋼板滑移裝置、鉛芯橡膠墊與不銹鋼鋼板低摩擦滑動的大位移優(yōu)勢，鉛芯橡膠減隔震支座能夠發(fā)揮多向滑移功能，在橋梁縱橫雙向結構均設計具體滑移量（見圖1）。經(jīng)上部摩擦滑移裝置，產(chǎn)生溫度、混凝土徐變與車輛制動所需位移，下部滑動摩擦位移作為所受地震作用下，可以提供較大摩擦位移和耗能，這樣可以對橋梁上部分結構形成有效保護作用力。并且鉛芯橡膠墊可以對上下部結構發(fā)生位移最大化情況下，有效耗散地震能力，從而充分減小所受地震影響對橋梁結構的損害，也可以一定程度上減小橋梁上部梁體位移，預防發(fā)生橋梁震落。

圖1 新型橋梁滑移-鉛芯減隔震支座

3 建立橋梁抗震性能計算模型

為了更好地研究本次設計的新型橋梁滑移鉛芯減隔震支座的抗震性能，運用ANSYS有限元軟件建立仿真模型（見圖2），包括8 987個單元與12 431個節(jié)點。

圖2 有限元模型

3.1 支座連接

本次仿真分析地震作用下，支座在水平方向的整體剛度，密切關聯(lián)結構地震響應大小，那么在實際建模中就要與本次設計新型減隔震支座的原理特點相結合，建立適當?shù)幕謴土δＰ?，簡化此支座結構在平動、轉動不同方向的自由度，將支座可活動方向剛度取值為0，不可活動方向則經(jīng)主從剛性、彈性連接模擬。計算此減隔震支座的結構抗震性能，根據(jù)以往試驗結果反映此類支座較小且狹長的滯回曲線面，在分析中基本可以近似線性處理，所以選擇現(xiàn)行彈簧連接對支座模擬計算。改變X、Y、Z不同支座方向下的剛度值，根據(jù)下面公式計算支座在水平、豎向的力學性能。

式中：支座上部結構和橋墩頂部發(fā)生的相對位移用x表示；減隔震支座的等效剪切剛度用K表示。

3.2 荷載作用力施加方式

在本次計算橋梁滑移減隔震支座的抗震性能時，所施加的荷載作用力形式包括兩種，第一是橋梁上下部結構自重，第二是橋面鋪裝與欄桿為主的橫向荷載作用力。

一般情況下對于支座內(nèi)的鋼板選用Q235鋼，由于此種鋼材能夠在限制橡膠材料形成較大剪切變形時，提供支座所需的豎向承載作用力，所以此鋼板設計一般以水平方向發(fā)生位移，并無任何變形扭曲，與此部位的受力變形情況相結合，最終選用SOLID45 3E實體單元模擬鋼板，對鋼板彈性模量取值為E=2.05×105，泊松比為0.3。鋼支座應用了天然橡膠材料，此種材料特性幾乎不可壓縮，通過運用有限元設計，在10 000 KN豎向千斤頂作用力下，用于本實驗的荷載作用力加壓裝置，保持水平荷載作用力在±500 N電液伺服加載系統(tǒng)，保持正弦波水平位移最大極值在±200 mm區(qū)間。

通過設計本次減隔震橡膠支座，主要是為了對此支座的水平剛度成功改變，能夠延長結構自振周期，成功避開結構主頻帶，這樣能夠對支座結構所承受的地震響應有效減小。在研支座豎向力學性能過程中，設定支座需要在試驗中承受豎向σ=（1±30%）10 MPa壓應力，對支座在豎向的具體位移變化情況仔細觀察，根據(jù)變化情況即可評價支座在豎向承載作用力。對于支座在水平向無任何位移（0 mm）情況時，對豎向作用力與支座位移之間的關系展開試驗，通過控制豎向荷載作用力，施加豎向壓力過程中，保持荷載作用力為（1±30%）10 Mpa，設計0.3 Hz正弦波頻率，完成循環(huán)4次重復加載，并對第三次重復取值，用于支座豎向剛度計算依據(jù)。最終根據(jù)4次施加豎向荷載作用力，獲得的作用力與位移關系。

4 抗震性能仿真結果分析

4.1 減隔震支座應用前后不同模態(tài)振型與周期變化

在地震作用下分析減隔震支座結構模態(tài)分析，（見圖3）根據(jù)此T型橋梁結構在應用本次設計新型減隔震支座對比普通支座，在地震情況下的橋梁結構振型圖，能夠發(fā)現(xiàn)X、Y兩方向在20振型下，基本達到90%的參與質(zhì)量，證明了本次仿真設計選擇振型階數(shù)基本滿足規(guī)范要求。（見表1）為使用減隔震支座前后，在不同振型級別下，支座結構的自振周期變化情況與增加率，反映出通過使用減隔震支座，在施加地震作用下，可以利用減隔震支座的橡膠隔震層變形作用，有效吸收地震荷載力控制下部結構被破壞程度。

圖3 橋梁結構振型圖

表1 橋梁滑移減隔震支座應用前后自振周期變化

4.2 地震水平承載力試驗結果

對本次設計新型橡膠減隔震支座結構，施加水平軸力變量分別為420 kN、540 kN、660 kN，并設計水平承載力的加載速度分別為1.0 mm/s、2.0 mm/s、4.0 mm/s，對于不同地震條件下繪制減隔震支座的結構承載力滯回曲線。其中在420 kN水平軸力，2.0 mm/s承載力加載速度下，（見圖4）為滯回曲線，反映了減隔震支座的結構變形基本呈比較飽滿的平行四邊形，證明本次設計這一新型橋梁減隔震支座的耗能效果較好，基本可以有效達到消能減震作用，并且加載中可以保證不改變減隔震支座與底板摩擦作用力。除此之外橋梁滑移減隔震支座在最初具備一定剛度值，這樣對于正常用橋中抵抗支座水平荷載作用力同樣十分有利。

圖4 420kN軸力，2.0mm/s加載速度情況下滯回曲線

4.3 支座豎向承載力試驗結果

設計橋梁減隔震支座以反復三次施加豎向作用力，壓縮變形試驗結果（見表2），根據(jù)試驗結果反映出對支座施加三次試驗的過程中，支座有正常的外觀表象，失穩(wěn)情況并未發(fā)生，并且在減隔震支座所承受豎向軸力下，基本為恒定豎向抗壓剛度結果，全部完成豎向加載作用力后支座僅僅發(fā)生約0.6 mm的殘余變形。在豎向荷載作用下，因為支座承受水平集中力的原因。在極限承載力作用下，支座未出現(xiàn)拉裂破壞，應力未達到破壞值，說明該支座水平方向柔度滿足使用要求。

表2 支座豎向壓縮變形結果

（見表3）為豎向地震作用力條件，橋梁滑移減隔震支座與普通支座的安全系數(shù)對比結果，反映出假設不改變截面尺寸，使用本次設計的新型減隔震支座在豎向方向的承載作用力，可以達到普通支座的承載作用力1.42倍。那么通過發(fā)揮減隔震支座的隔震作用，能夠明顯增加橋墩的安全系數(shù)，避免橋梁結構受損。

表3 地震作用下水平承載力對比結果

5 結語

綜上，通過在本次研究設計一款新型橋梁滑移減隔震支座結構，分析了此支座結構的抗震性能，經(jīng)過對比減隔震支座應用前后的橋梁結構振型圖，發(fā)現(xiàn)本次設計減隔震支座可以有效吸收地震荷載力控制下部結構被破壞程度。并且分別對減隔震支座進行地震水平承載力、支座豎向承載力試驗，發(fā)現(xiàn)本次設計新型橋梁滑移減隔震支座結構，增加了支座的減隔震結構周期高達230%，可以有效降低橋梁結構在地震作用下的損害率。