LNR天然橡胶支座在7度地震烈度区的应用

初 奇，宫玉明，施菁华

（中交第一公路勘察设计研究院，陕西 西安 710068）

0 引言

随着交通运输部《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02—01—2008）（以下简称“《细则》”）的发布，桥梁抗震设计进入了一个新的阶段。随着实践的深入，目前公路行业内对7度地震烈度区采用的桥梁支座类型还有不同的看法：一类认为应采用普通板支+纵横向挡块；另一类认为应采用减隔震支座。本文结合具体项目，进行对比分析，研究LNR天然橡胶支座在7度地震烈度区的适用性。

陕西定汉线坪坎至汉中高速公路采用双向六车道高速公路标准，设计速度80km/h，路基宽度32m，设计荷载采用公路—Ⅰ级。

本项目桥梁上部结构主要采用装配式预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式墩台或肋式桥台，基础采用钻孔灌注桩。根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02—01—2008)（以下简称“《细则》”）第3.1条，本项目桥梁抗震设防类别为B类，必须进行E1地震（50年超越概率40%）作用和E2地震（50年超越概率2.5%）作用下的抗震设计。

1 结构抗震耗能体系和抗震分析方法

1.1 桥梁结构抗震耗能体系

对B类桥梁，可采用的抗震体系有两种类型。类型Ⅰ：地震作用下，桥梁的塑性变形、耗能部位位于桥墩的顶、底部的塑性铰区域；类型Ⅱ：地震作用下，桥梁的耗能部位位于桥梁的上、下部连接构件（支座、耗能装置）。对于上部采用装配式箱梁，下部采用柱式桥墩的梁桥，结构抗震具备两种抗震体系的类型特征，支座和墩柱均是耗能部位。

1.2 橡胶支座

普通板式橡胶支座是由多层薄钢板与多层橡胶片硫化粘合而成一种叠层橡胶支座产品，它具有构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉和安装方便等优点，在公路桥梁领域被大量普及应用。

LNR天然橡胶支座在常规叠层橡胶支座的基础上做了改进，能满足较大的剪切位移，且与主梁、墩台进行有效连接。两种支座的性能对比见表1。

表1 LNR天然橡胶支座与普通橡胶支座技术性能对比分析表

1.3 抗震分析方法

1.3.1 典型结构

本项目桥梁主要采用20m、25m、30m和40m跨径的装配式预应力混凝土连续箱梁桥。经计算对比，上述跨径的结构地震响应特性基本一致，本文以4m×30m跨径组合的装配式预应力混凝土连续箱梁桥作为典型结构建立有限元模型，进行对比分析。本次计算应用MIDAS2010通用有限元程序，建立了桥梁的空间有限元模型，进行了动力特性分析和反应谱分析。

1.3.2 设计加速度反应谱

根据《细则》第6.1.4条，对于本文中的桥梁结构在E1和E2地震作用下的抗震分析可采用单振型反应谱法进行计算。根据《工程场地地震安全性评价报告》，基本地震动峰值加速度为0.10g，E1地震（50年超越概率40%）水平向地震动加速度峰值为0.052g，特征周期为0.44s；E2地震（50年超越概率2%）水平向地震动加速度峰值为0.206g，特征周期为0.61s，E1、E2地震水平设计加速度反应谱如图1和图2所示。

图1 E1地震水平设计加速度反应谱曲线

图2 E2地震水平设计加速度反应谱曲线

2 橡胶支座抗震验算

2.1 支座厚度验算

根据《细则》第7.5条及10.4.2条，验算板式支座厚度是否满足地震作用下位移要求。表2和表3分别列出了普通板式橡胶支座和LNR天然橡胶支座在E2地震作用效应和永久作用效应组合下的支座位移验算结果。

表2 GJZ400×400×84支座位移验算成果表（容许位移0.06m）

表3 LNR-d420×128支座位移验算成果表（容许位移0.18m）

计算结果表明：在E2地震作用下，普通板式橡胶支座横桥向计算位移均大于容许位移；当墩高H≤12m时，支座顺桥向计算位移大于容许位移，不满足《细则》要求。LNR支座的两个方向的计算位移均小于容许位移，且有一定的富余，能够满足E2地震作用下位移要求。

2.2 支座抗滑稳定性验算

根据《细则》第7.5条规定，对普遍板式橡胶支座进行抗滑稳定性验算。表4列出了普通板式橡胶支座抗滑稳定性验算结果。

表4 GJZ400×400×84支座的抗滑稳定性验算（容许水平力84kN）

LNR支座采用螺栓、套筒和锚杆连接，螺栓承担抗剪，E2地震下只要螺栓能承担抗剪则可满足支座抗滑稳定性的要求。根据《公路桥梁抗震设计细则》第7.5条规定，支座的动摩擦系数最小为0.10，为偏安全考虑，LNR支座的容许水平力未考虑支座与梁体、墩台的摩擦力，所有水平力均由螺栓承担。表5列出了LNR支座E2地震下抗滑稳定性验算结果。

表5 LNR-d420×128支座的抗滑稳定性验算（容许水平力312kN）

计算结果表明：E2地震作用下，普通板式橡胶支座两个方向的水平地震力均大于容许水平地震力，不满足《细则》要求。LNR支座两个方向的水平地震力均小于容许水平地震力，且有一定的富余，能够满足抗滑稳定性要求。

综上所述，普通板式橡胶支座未与主梁和桥墩进行有效的连接，支座在E2地震作用下会发生滑移、破坏或失效，主梁在地震下的位移会进一步增大，产生不可恢复的变形，易发生落梁。LNR支座的剪切位移和抗滑移性均能满足《细则》要求，与主梁和桥墩进行有效连接，确保桥梁上部结构有效传递地震力至下部结构，实现了桥梁下部结构水平力分散，各墩协同抵抗水平力。

3 结论

本文计算分析了装配式预应力混凝土连续箱梁桥分别采用普通板式橡胶支座和LNR天然橡胶支座时，桥梁结构的地震响应情况。主要结论如下。

3.1 由于普通板式橡胶支座容许变形能力小并且仅靠摩擦力与箱梁和桥墩接触，在7度地震区E2地震作用下，普通板式橡胶支座的厚度与抗滑稳定性不能满足《细则》的要求；

3.2 在7度地震区E2地震作用下，普通板式橡胶支座存在被剪断、或滑移导致上部结构落梁的风险。

3.3 LNR天然橡胶支座有较大的变形能力，通过螺栓与上部箱梁和墩台的有效连接，分散了水平力，使各墩协同受力，能够取得较好的抗震效果。

3.4 在7度地震烈度区，建议装配式预应力混凝土连续箱梁桥采用LNR天然橡胶支座，能够在使用性能和经济性之间达到一个较好的平衡。

[1]GB 18306—2001，中国地震动参数区划图[S].

[2]JTG/T B02—01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[3]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]陕西大地地震工程勘察中心.工程场地地震安全性评价报告[R].西安：陕西大地地震工程勘察中心，2011.