铅芯橡胶支座与板式橡胶支座抗震计算对比

亢晓亮

（上海千年城市规划工程设计股份有限公司，上海市 201108）

0 前言

近年来我国相继颁布实施了《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）和《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011），规范中桥梁抗震设计理念、设计方法上有了非常大的进步，要求我们设计工作者具备更多的抗震设计知识。

设置减隔震支座是一种简便、经济、先进的工程抗震手段；理想的减隔震支座需具备：在较低的水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形很小；在地震作用下，支座屈服，在变形的过程中消耗地震能量，延长结构周期。铅芯橡胶支座是在分层橡胶支座中部插入铅芯而形成的隔震装置，它具有良好的力学特性，具有较低的屈服剪力（约为10 MPa）和足够高的初始剪切刚度（G约为130 MPa），具有理想的弹塑性性能，且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能。它能够提供地震状况下的耗能能力和静力荷载作用下所需的支座刚度。但是其造价高，且在现场安装工作复杂，桥梁施工完成后养护或更换难度较大。

1 工程概况

本文以某跨线桥梁引桥（3×简支变连续组合小箱梁）第二联和第四联为例，分别选取承载力相当的铅芯橡胶支座和板式橡胶支座进行抗震分析。桥梁横断面见图1，主要技术指标如下：

（1）道路等级：城市快速路。

（2）桥梁设计荷载标准：城-A级。

（3）桥梁宽度：0.5 m（护栏）+15.625 m（车行道）+0.5m（护栏）=16.625 m。

（4）抗震设防标准：按照地震基本烈度7度设防，地震动峰值加速度0.1 g；抗震设防类别为乙类，抗震设计方法为A类。

图1 桥梁横断面（单位：mm）

各联桥墩立柱高度见表1。

表1 桥墩立柱高度

2 有限元模型

2.1 计算模型

采用Midas/Civil 2011对整体结构模型进行时程分析计算。

全桥考虑下部结构-上部结构的共同协同工作抵抗纵、横桥向地震作用。根据《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》（JT/T 822-2011）附录A的支座特性，采用一般连接中得“铅芯橡胶支座隔震装置”模拟铅芯橡胶支座的性能；根据《公路桥梁抗震设计细则》的6.3.7条计算板式橡胶支座刚度，采用弹性连接模拟板式橡胶支座的性能；用m法计算得到单桩刚度，对承台底进行弹性约束。全桥模型见图2、图3。

图2 全桥模型（第二联）

图3 全桥模型（第四联）

2.2 地震波

地震波图形见图4。

图4 地震波

3 主要计算结果及对比分析

3.1 桥梁自振周期

桥梁自振周期统计见表2。

表2 桥梁自振周期统计表

对比分析：高墩较矮墩自振周期长；矮墩采用板式橡胶支座时，自振周期为0.707 s，接近桥梁特征周期（0.65 s）；采用铅芯橡胶支座时，桥梁自振周期明显变长，矮墩自振周期变化幅度较高墩大。

3.2 各墩立柱柱底（顺桥向）内力统计表

本文选取连续梁两个中墩立柱柱底内力计算结果进行对比，见表3。

表3 桥墩立柱内力统计表

对比分析：同一联中，矮墩地震力较大；采用铅芯橡胶支座时，矮墩和高墩的地震力相当；采用铅芯橡胶支座时，地震力明显减小，矮墩地震力变化幅度较高墩大。

3.3 桥梁立柱抗震验算

根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）7.3.1、7.3.2条规定，P4、P5墩（高宽比小于 2.5）应按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62）的规定验算桥墩抗弯和抗剪强度；P9、P10（高宽比大于2.5）墩需按照7.4条验算验算桥墩立柱抗剪。

（1）P4、P5墩截面验算

根据最不利轴力求的截面抗力Mr=2950（kN·m）

由以上计算结果可知，P4、P5墩只有采用减隔震支座，其承载力才能满足规范要求。

（2）P9、P10墩截面验算

P9、P10墩立柱按照能力保护构件验算桥墩立柱塑性铰区域斜截面抗剪强度。根据桥墩立柱配筋，立柱在最不利轴力作用下顺桥向截面屈服曲率计算结果见图5。桥墩屈服曲率见表4。

图5 桥墩立柱屈服曲率曲线

表4 桥墩屈服曲率表

若采用板式橡胶支座，P9、P10墩地震作用下柱底最大组合弯矩M=13050（kN·m），对比桥墩屈服曲率曲线可知：墩柱已处于屈服阶段。

桥墩立柱塑性铰区域斜截面抗剪强度设计值V=φ（Vc+Vs）=2960（kN）＞Vco；故桥墩立柱满足能力保护构件的要求。

若采用铅芯橡胶支座，桥墩立柱内力明显变小，则也能满足规范要求。

4 总体结论

桥墩较矮，桥梁下部结构刚度较大时，采用铅芯橡胶支座能够明显延长结构自振周期，减小地震力，保证在强震作用下桥墩立柱处于弹性；桥墩较高，桥梁下部结构刚度不大时，采用铅芯橡胶支座后，桥梁自振周期变化不及矮墩，但地震力有明显的变化，能够改善桥墩立柱受力。

铅芯橡胶支座能够提供地震状况下的耗能能力，但是造价略高，且在现场安装工作较板式橡胶支座复杂。桥梁设计工作中，应结合桥梁抗震设防标准，根据工程实际需要合理选用铅芯橡胶支座和板式橡胶支座。

[1]JTG/T B-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].北京:人民交通出版社,2008.

[2]CJJ 166-2011,城市桥梁抗震设计规范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[3]叶爱君,管仲国.桥梁抗震[M].北京:人民交通出版社,1997.