安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究

安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究
王勇;汪永兰;王爽
【摘要】Seismic force plays an absolutely control role in bridges design in high seismic intensity area.In this case,not only the burden of design and economic will be increased but also lots of materials will be wasted by the traditional design method.Generally,the purpose of damping could be achieved by ＂ductility design＂ and ＂seismic isolation design＂.LRB which is the overall seismic isolation device commonly used in domestic and international,has been applied to the bridge in district 8 degrees in
this paper.The results show that the structural period could be extended and seismic energy is dissipated with LRB,which indicates that LRB has better isolation effect than others.In all,LRB is an ideal seismic isolation device which could be used in structure design.%在高地震烈度区的桥梁结构,设计时地震力起绝对控制作用,此时如果采取结构本身的＂硬抗＂不仅增加设计负担,并且大量浪费原材料,同时增加了经济负担。

一般情况下,可采取＂延性设计＂和＂减隔震设计＂来达到减震耗能的目的。

该文针对某8度区桥梁,采用国内外较常用
的整体型减隔震装置——铅芯橡胶支座对其进行减隔震设计,计算结果表明铅芯橡
胶支座既能延长结构的周期,又能耗散地震能量,具有良好的减隔震效果,是一种比较理想的减隔震装置。

【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2011(008)004
【总页数】4页(P33-35,49)
【关键词】桥梁工程;抗震性能;铅芯橡胶支座;轴力-弯矩相关屈服面;滞回曲线【作者】王勇;汪永兰;王爽
【作者单位】江苏省交通规划设计院有限公司,江苏南京210005;江苏省交通规划设计院有限公司,江苏南京210005;北京迈达斯技术有限公司上海分公司,上海200233
【正文语种】中文
【中图分类】U442.55;U443.36
1 桥梁概况及空间整体模型的建立
某桥跨径6×30 m，全桥共2联，前3孔一联，后3孔一联。

上部采用预应力混凝土先简支后桥面连续T梁，单孔横向5片梁。

下部构造：桥墩采用柱式墩、空心薄壁墩，Φ2.0 m、Φ2.2 m钻孔灌注桩基础；0#桥台采用组合式桥台，Φ1.5 m 钻孔灌注桩基础；6#桥台采用柱式桥台，Φ1.7 m钻孔灌注桩基础。

根据桥梁结构的总体构造布置，建立全桥动力特性和地震反应分析的3维有限元分析模型。

主梁、桥墩、横系梁、盖梁和桩模拟采用考虑剪切变形的3维铁木辛克弹性梁单元，承台本应该是实体建模，但因为在地震响应计算中，承台主要作为质量单元参与地震响应贡献，所以承台也作为梁单元处理，但质量仍然精确反映。

主梁采用梁格模型，较精确地模拟了上部结构的刚度和质量。

要注意的是，在大震作用下，虽然加装了隔震装置，但桥墩仍很有可能进入抗弯屈服工作阶段，所以必须对桥墩是否进入抗弯屈服进行判断。

如果发现墩身出现塑性铰，应将墩身改为3维弹塑性梁单元重新进行分析。

使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础。

将土层分层离散为文克尔弹簧，离散后的等效弹性支承的弹簧刚度k，就等于弹性支承作用面积A，（即单元高度与基础计算宽度的乘积）与地基系数C0的乘积，即k=A×C0。

在离散等效弹性支承时，同一土层可根据精度需要，将其分成若干部分，但在土层分界处，必须分开。

将每一个分出的部分看成一个弹性支承，其作用点就在该部分的合力作用点处。

据此可得：
式中：Ki为每层土弹簧的刚度系数；hi为每层土的厚度。

依据《公路桥梁抗震设计细则》第6.3.8条，动力计算时，土抗力的取值比静力大，一般取m动为2～3倍的m静，本文取2.5m静。

全桥空间有限元模型见图1。

2 铅芯橡胶支座及伸缩缝的模拟
根据分析目的的不同，铅芯橡胶支座大致可分为2种模拟方式：（1）针对于振型分析、反应谱分析等线性分析，一般采用具有等效刚度及等效阻尼比的线性恢复力模型弹簧元；（2）针对于非线性静力分析、非线性时程等非线性分析，一般采用双线性恢复力模型（如新西兰MWD CDP818/A规范）或修正的双线性恢复力模
型（如日本桥梁免震条例）。

国内外很多学者对铅芯橡胶支座的力学参数进行了研究，大部分的研究表明（如范立础《桥梁减隔震设计》，吴彬、庄军生《铅芯橡胶支座的非线性动态分析力学参数试验研究》，等）其主要力学参数在支座剪应变时变化趋势明显变缓，而一般在地震作用下支座剪应变都比较大。

所以目前在非线性分析中使用较多的是常数型双线性恢复力模型。

本次地震响应分析的方法主要采用非线性时程分析，所以可以较真实地考虑支座的非线性行为，支座的水平剪切恢复力模型见图2。

本桥采用某厂提供的270 mm×270 mm×141 mm方形铅芯橡胶支座，厂家提供的支座力学参数见表1。

表1 支座力学参数表竖向承载力等效阻尼系数/%450 ±45 33 0.72 4.7 1.1 16.9 ≥300%位移量/mm铅销屈服力/kN二次刚度/（kN·mm-1）支座剪应变（175%时）水平极限剪应变能力一次刚度/（kN·mm-1）等效刚度/（kN·mm-1）
在地震作用下，联与联之间的梁体在纵桥向可能发生不同步振动，此时梁体间相对压缩位移若是超过了梁缝的初始间距，两联间的主梁将发生碰撞引发桥梁的破坏甚至落梁。

特别是在加装了隔震支座桥梁的地震分析时，考虑到梁梁间的纵横向相对位移比较大，应该考虑梁梁间存在的碰撞可能。

在非线性时程分析时可采用如图3所示的间隙单元来模拟伸缩缝。

3 计算结果
依据《公路桥梁抗震设计细则》第3.4条，地震作用下的效应组合应包括永久作用效应+地震作用效应，在永久作用效应基础上按照横向1.0+纵向1.0＋竖向0.5的系数同时输入3向人工地震波，如图4所示。

3.1 关键截面轴力-弯矩屈服面能力分析
当考虑3向地震力同时作用时，除了竖向地震荷载会导致双柱墩和桩群轴力发生很大变化外，在横桥向地震力作用下，双柱墩和群桩基础还会因为“框架效应”也会导致产生很大的轴拉力，所以双柱墩和桩群也必需通过截面的P-M屈服面来进行判别，其中屈服面以首根钢筋受拉屈服定义。

截面轴力-弯矩屈服面能力分析的原理是把横截面按约束混凝土、非约束混凝土、纵向钢筋双向划分为平面网格，每一网格的中心为数值积分点。

网格的纵向微段即定义为纤维。

通过计算每个纤维的应力，并在断面内进行数值积分，即可求解每个
微段的内力变化过程。

此时，只要纤维分得足够细，材料本构关系正确，计算精度就可满足相应的要求。

钢筋纤维采用考虑了“Bauschinger”效应和硬化阶段的修正的Menegotto-Pinto本构。

圆形截面钢筋混凝土纤维一般采用mander本构。

通过验算可以看到，墩柱及桩所有最不利截面在E2地震作用下其内力P-M相关
时程点基本都处于截面P-M屈服面内（偶尔有极少部分内力相关点超过了屈服面，此时截面的裂缝宽度可能会超过容许值，但混凝土保护层还是完好。

由于地震过程的持续时间比较短，地震后，由于结构自重，地震过程开展的裂缝一般可以闭合，不影响使用），所以判断双柱墩和桩在E2地震作用下均处于弹性阶段内工作。

图
5给出了2#墩的最不利截面的验算图示。

通过计算还表明，0#桥台伸缩缝在E2地震作用下不会发生碰撞，5#桥台伸缩缝
在E2地震作用下的某些特定工况会发生碰撞。

所以在构造上两端部桥台处（特别是5#桥台）伸缩缝需要加橡胶缓冲吸能垫。

4 隔震结构隔震性能评估
对隔震结构的隔震性能评估一般可通过2方面来表现：（1）隔震结构构件最大内力与非隔震结构构件最大内力之比；（2）隔震结构基本周期与非隔震结构基本周期之比。

本次分析参考《公路桥梁抗震设计细则》第10.1.6条，采用第2种评估
方法。

隔震结构的基本周期是与隔震支座的等效刚度密切相关的，而支座的等效刚度又和支座的有效位移相关。

参考平成14年3月的《道路桥示方书（V耐震设计编）同解说》，支座的有效位移取为支座整个时程位移中最大值的70%。

具体的方法就
是根据非线性直接积分法得到每个支座的顺桥向、横桥向最大位移结果，然后取每个值的70%作为有效位移，根据该有效位移再得到每个支座顺桥向、横桥向方向
的有效刚度，最后得到整个结构的周期、振型。

将所有的隔震支座换成与非隔度结构相同尺寸的普通板式橡胶支座，其水平剪切刚度应与铅芯隔震支座的一次刚度相同为4 700 kN/m，隔震桥梁与非隔震桥梁同期对比见表2。

表2 隔震桥梁与非隔震桥梁周期对比周期隔震桥梁非隔震桥梁1阶 2.002 472 1.39 346 2阶 1.801 727 1.07 849 3阶 1.643 196 0.971 074 4阶 1.633 442 0.906 283 5阶 1.58 285 0.841 763 6阶 1.566 783 0.811 595 7阶 1.545 602 0.761 795 8阶 1.536 033 0.752 275 9阶 1.526 711 0.727 476 10阶 1.520 061 0.720 834
通过表2可以看出，隔震结构的第1阶周期是非隔震结构的第1阶周期的1.44倍，而从第2阶周期开始则增加为1.8倍。

到第10阶周期时，则达到了2倍。

显然，隔震效果非常明显，采用隔震装置后结构的动力特性性能基本达到《公路桥梁抗震设计细则》第10.1.6条的建议值。

5 结论
本次研究表明，在高烈度地区的桥梁结构，使用铅芯橡胶支座进行隔离、吸收和耗散地震能量效果显著。

但要注意的是：
（1）对于安装了减隔震装置的桥梁的下部结构，在大震作用下也不一定是一定在弹性范围内工作，一定要对其进行屈服验算，否则可能需要对其减隔震装置的性能、安置方式进行调整；
（2）对于安装了减隔震装置的桥梁的上部结构，在大震作用下主梁端很容易因为较大的位移发生碰撞，此时一定要注意在伸缩缝处设置吸能缓冲装置，以减小碰撞给上部结构带来的损坏。

参考文献
［1］范立础.桥梁工程［ M］.北京：人民交通出版社，2003.
［2］黄方，王爽．两种弹塑性梁单元在桥梁地震响应分析中的研究比较［J］．中国西部科技，2009，8（23）：31-33.
［3］肖波，王爽.桥墩防撞装置碰撞动力学分析［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2005，29（1）：49-51.。