減隔震鉛芯橡膠支座剪切模量參數(shù)影響分析

作者簡介：

李 智（1980—），碩士，高級工程師，主要從事橋梁施工管理工作。

摘要：為研究剪切彈性模量對鉛芯橡膠支座減隔震性能的影響，文章以一座3×22 m的小跨徑連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο?，采用非線性時(shí)程分析法計(jì)算不同剪切模量鉛芯橡膠支座的橋梁在相同地震下的動力響應(yīng)，對比地震響應(yīng)結(jié)果并分析橋梁的減隔震效果。結(jié)果表明：鉛芯橡膠支座剪切彈性模量的線性增大使得結(jié)構(gòu)體系的自振周期減小，但二者并不呈線性關(guān)系；由于材料非線性以及支座耗能能力不同，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)與鉛芯橡膠支座的剪切彈性模量同樣不是線性關(guān)系；相同尺寸和承載能力下，剪切彈性模量較小的鉛芯橡膠支座減隔震性能更佳。

關(guān)鍵詞：鉛芯橡膠支座；剪切彈性模量；減隔震；橋梁抗震

中圖分類號：U443.36+1 A 47 149 4

0 引言

地震是一種持續(xù)時(shí)間短、能量釋放十分劇烈的自然災(zāi)害，其產(chǎn)生的能量會對地面的建筑物和構(gòu)筑物造成嚴(yán)重的破壞，甚至使其倒塌。為了使結(jié)構(gòu)能夠抵御地震活動，近年來，減隔震技術(shù)得到了大量研究，減隔震裝置在橋梁領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用［1］。

鉛芯橡膠支座以其良好的減隔震性能以及既能支撐上部結(jié)構(gòu)的重量又能提供彈性恢復(fù)力的特點(diǎn)，被認(rèn)為是中小跨度橋梁減隔震的理想裝置［2］，因此成為目前相關(guān)研究的重點(diǎn)之一。羅勇歡等［3］對鉛芯橡膠支座進(jìn)行了水平相關(guān)性試驗(yàn)，研究了支座水平等效剛度和等效阻尼比與水平相關(guān)性的變化規(guī)律。金建敏等［4］研究了天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座在不同水平剪切變形狀態(tài)下的豎向壓縮剛度理論計(jì)算方法及公式。谷立寧等［5］研究了鉛芯橡膠支座鉛芯與橡膠體之間的間隙對支座性能的影響。

本文為研究不同橡膠剪切模量對鉛芯隔震橡膠支座減隔震性能的影響，以一座3×22 m的小跨徑連續(xù)梁橋?yàn)槔?，基于非線性時(shí)程分析法，比較分析結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨橡膠剪切模量變化的規(guī)律。

1 鉛芯橡膠支座恢復(fù)力模型

鉛芯橡膠支座構(gòu)造如圖1所示。鉛芯橡膠支座由鉛芯和橡膠兩種構(gòu)件或材料組成，其水平剛度呈現(xiàn)出雙線性特性，分析時(shí)一般將滯回曲線修正為雙線性模型［6］。

鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能是鉛芯和橡膠組合作用的結(jié)果，其雙線性恢復(fù)力模型通常按照“在一定荷載范圍內(nèi)，鉛芯發(fā)生理想彈塑性變形，而橡膠則始終保持彈性變形［7］”的原則，將鉛芯理想彈塑性模型和橡膠彈性模型疊加，如圖2所示。

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［8］縱橋向立面布置如下頁圖3所示，跨徑為3×22 m。橫截面為單箱單室，梁高1.6 m。橋墩為雙柱墩。上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，立柱采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，立柱縱筋采用HPB300。

本文將普通支座全部更改為鉛芯隔震橡膠支座，且橫向不設(shè)擋塊，僅研究橋梁在E2地震作用下的動力響應(yīng)。

根據(jù)規(guī)范《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T822-2011）［9］確定支座并建立以下4種工況：

（1）選取中墩支座為J4Q520×520×177G0.8。

（2）選取中墩支座為J4Q520×520×177G1.0。

（3）選取中墩支座為J4Q520×520×177G1.2。

（4）支座為普通的固定、滑動支座。

其中工況2、3、4的邊墩支座均選取J4Q420×420×169G1.2。

2.2 地震動輸入

該算例地區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，特征周期為0.45 s，E2地震作用的地震調(diào)整系數(shù)為2.05。根據(jù)式（1）計(jì)算得到水平加速度反應(yīng)譜如圖4所示。式（1）中Smax=2.25A，A為地震加速度峰值。利用反應(yīng)譜轉(zhuǎn)人工波程序?qū)⑺郊铀俣确磻?yīng)譜轉(zhuǎn)化成一條人工地震波（如圖5所示）。由于本文采用控制變量法進(jìn)行比較分析，重點(diǎn)不在于準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)，為保證地震輸入一致性，只選用一條地震波進(jìn)行分析。

S=5.5SmaxT+0.45Smax （0＜T＜0.1s）

Smax （0.1s＜T＜Tg）

SmaxTgT0.9 （Tg＜T＜5Tg）

［0.20.9-0.02（T-5Tg）］Smax （5Tg＜T＜6s）（1）

2.3 有限元模型

采用SAP2000軟件建立了全橋空間有限元模型，如圖6所示。橋塔、橋墩、主梁及樁基礎(chǔ)采用空間梁單元模擬，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量通過材料密度直接附加于結(jié)構(gòu)上。土彈簧的剛度采用6剛度法進(jìn)行模擬，并考慮了邊界聯(lián)效應(yīng)。在原橋一聯(lián)3跨的基礎(chǔ)上，左右各加一聯(lián)，形成三聯(lián)9跨。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究剪切彈性模量對鉛芯隔震橡膠支座性能的影響，保持邊墩支座選型不變，僅改變中墩支座，在中墩支座尺寸（520 mm×520 mm）和承載能力（2 000 kN）相同的情況下，只改變中墩支座的剪切彈性模量。根據(jù)規(guī)范《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T 822-2011）中提供的支座參數(shù)，分別選取線性增加的剪切彈性模量G1=0.8 MPa、G2=1.0 MPa、G3=1.2 MPa以定義工況1、工況2、工況3。三種鉛芯橡膠支座的恢復(fù)力模型如圖7～9所示。

3.1 動力特性分析

自振周期是結(jié)構(gòu)體系的重要動力特征，同時(shí)其對于求解結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)也具有十分重要的意義。三種工況均考慮邊界聯(lián)效應(yīng)，選取結(jié)構(gòu)縱向和橫向自振周期進(jìn)行比較，如表1所示。

由表1可知：隨著剪切彈性模量的增加，縱向和橫向自振周期均減小。在結(jié)構(gòu)體系和地震動輸入不變的情況下，鉛芯橡膠支座剪切彈性模量的增大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系剛度的增大，且效果明顯。進(jìn)一步對比可知，當(dāng)剪切彈性模量呈線性增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期并不遵循線性變化，周期與剪切彈性模量倒數(shù)的二次根式1/G比較接近線性關(guān)系。

3.2 地震響應(yīng)分析

本文采用非線性動力時(shí)程分析法對橋梁進(jìn)行縱橋向和橫橋向地震響應(yīng)分析，以研究采用不同剪切彈性模量鉛芯橡膠支座的橋梁減隔震效果。三種工況的縱向、橫向振動中墩支座響應(yīng)分別如表2和表3所示。

由表2、表3可知：在縱向、橫向地震作用下，隨著剪切彈性模量的增加，支座剪力均呈增大趨勢，而支座變形則呈減小趨勢。這一結(jié)果可以通過剪切彈性模量影響水平剛度來解釋。

進(jìn)一步分析可知，隨著剪切彈性模量的線性增大，支座剪力的增加并不符合線性關(guān)系，而支座的變形遞減比較符合線性關(guān)系。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以分為兩點(diǎn)：（1）雖然理論上在材料保持彈性時(shí)水平剛度和剪切彈性模量應(yīng)當(dāng)是正比關(guān)系，但是減隔震屬于強(qiáng)非線性問題，不能再按照基于材料彈性導(dǎo)出的規(guī)律去分析問題；（2）在地震荷載下鉛芯橡膠支座會被反復(fù)加載和卸載，耗散相當(dāng)一部分能量。因此，支座響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)都不能僅僅根據(jù)剛度來分析，還要考慮為了達(dá)到不同剪切彈性模量而使用的不同橡膠材料所導(dǎo)致的阻尼比不同，使得支座的耗能能力不同，進(jìn)而也影響了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

為了更直觀地比較三種不同剪切彈性模量鉛芯橡膠支座的減隔震性能，按照普通的固定滑動支座建立了工況4。四種工況的縱向、橫向地震下中墩墩底截面響應(yīng)分析結(jié)果分別見表4、表5。

前三種工況的結(jié)果與前文對支座響應(yīng)的分析一致。隨著剪切彈性模量的線性增大，墩底剪力和墩底彎矩都呈現(xiàn)增大趨勢，但同樣不是線性的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因和前文所述支座剪力、支座變形不符合線性變化的原因相同。

對比前三種工況和第四種工況的地震響應(yīng)結(jié)果可知：將結(jié)構(gòu)支座從普通支座更改為鉛芯隔震橡膠支座后，減隔震效果非常明顯，大大減小了地震下墩底內(nèi)力，相同承載力的鉛芯橡膠支座中，剪切彈性模量較小者的減隔震效果更好。因此，在位移量允許的情況下，同類型支座中選取剪切彈性模量小的鉛芯橡膠支座可以取得更好的減隔震效果。

4 結(jié)語

本文以一座跨徑為3×22 m的小型連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，研究了不同橡膠剪切模量對鉛芯隔震橡膠支座減隔震性能的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對于尺寸和承載能力相同但剪切彈性模量不同的鉛芯隔震橡膠支座，對應(yīng)結(jié)構(gòu)的自振周期隨著支座剪切彈性模量的線性增大而減小，但自振周期與剪切模量并不服從線性關(guān)系，相比之下自振周期與剪切模量倒數(shù)的二次根式1/G接近線性關(guān)系。

（2）隨著鉛芯橡膠支座的剪切彈性模量線性增加，支座剪力增大，支座變形減小，墩底內(nèi)力響應(yīng)增大，但均不服從線性變化。其原因是材料非線性的影響，同時(shí)鉛芯橡膠支座的阻尼比也會影響到結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)。

（3）通過對比可以看出，鉛芯橡膠支座的減隔震效果較為顯著，且在承載能力相同時(shí)，剪切彈性模量較小的支座減隔震效果更佳。

參考文獻(xiàn)

［1］范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］高亮亮，商耀兆.鉛芯橡膠支座高墩鐵路簡支梁橋減隔震特性的研究［J］.鐵道建筑，2008（5）：7-10.

［3］羅勇歡，庾光忠，夏俊勇.基于歐盟標(biāo)準(zhǔn)的鉛芯橡膠支座水平性能研究［J］.特種橡膠制品，2021，42（5）：56-61.

［4］金建敏，肖 驥，劉彥輝，等.不同剪切變形下橡膠隔震支座豎向壓縮剛度試驗(yàn)研究［J］.振動與沖擊，2021，40（6）：93-99.

［5］谷立寧，趙貴英，張紅永，等.建筑隔震橡膠支座鉛芯與橡膠體的間隙對支座性能影響的研究［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2021，47（13）：1-6.

［6］姜焱培，周曉敏.不同人工地震波作用下鉛芯橡膠支座橋梁減震性能分析［J］.公路，2019（4）：155-159.

［7］熊世樹，周正華，王補(bǔ)林.鉛芯橡膠隔震支座恢復(fù)力模型的分析方法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），2003，20（2）：28-31.

［8］葉愛君，管仲國.橋梁抗震（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2017.

［9］JT/T 822-2011，公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座［S］.

收稿日期：2022-10-12