简支梁桥铅芯橡胶支座减震特性研究

刘新华　李加武　周琴　黄森华

摘要：以一座4×40 m简支T形梁桥为例，对常规非隔震设计的板式橡胶支座和减隔震设计的铅芯橡胶支座（LRB）进行对比分析，比较了2种支座设计下桥梁结构的动力特性以及采用隔震设计后桥梁结构内力、位移响应与非隔震设计的差别。在其他条件一致前提下，研究了铅芯橡胶支座的力学参数对减隔震效果的影响。研究结果表明：铅芯橡胶支座较板式橡胶支座设计的桥梁可以延长结构的周期；设计的铅芯橡胶支座具有明显的减震效果，铅芯橡胶支座可以大幅度减小各墩墩底剪力及墩底弯矩，各墩所受地震力重新合理分配且受力趋于平衡；同时在减隔震设计中，只考虑增大铅芯橡胶支座的型号反而会给桥梁下部结构带来不利的影响。

关键词：桥梁工程；简支梁桥；铅芯橡胶支座；减隔震设计；减震率；动力特性

中图分类号：U442.55文献标志码：A

0引言

近年来，铅芯橡胶支座（LRB）作为一种减隔震支座得到了广泛的研究[14]。刘健新等[5]通过计算统计分析，确定了在Ⅰ，Ⅱ类场地土地基条件下可供新建或旧桥改造采用减震设计时选择铅销橡胶支座使用的标准规格。魏红一等[6]研究表明，采用铅芯橡胶隔震技术后，在近场地震作用下，减震效果仍有效。郭磊等[7]研究表明，在固定墩上采用活动盆式支座与弹塑性减震耗能装置并联，能够有效地减小固定墩所受的地震力，改善结构的抗震性能。张骏等[8]分析表明，铅芯橡胶支座可以有效地降低结构的位移和内力响应，改善结构的抗震性能。钟铁毅等[9]研究表明，是否考虑双向恢复力的耦合作用对铅芯橡胶支座的位移恢复力曲线存在较大差别。

为了研究板式橡胶支座和铅芯橡胶支座这2种支座设计对简支梁桥抗震性能的影响，本文中笔者以一座4×40 m简支T形梁桥为例，对常规非隔震设计的板式橡胶支座和减隔震设计的铅芯橡胶支座进行对比分析，比较了2种支座设计下桥梁结构的动力特性以及采用隔震设计后桥梁结构内力、位移响应与非隔震设计的差别；同时在其他条件一致前提下，研究了铅芯橡胶支座的力学参数对减隔震效果的影响。

1基本计算理论

1.1减隔震原理

减隔震的基本原理为[10]：①利用减隔震装置的柔性来延长周期，减小结构地震反应；②利用阻尼器或耗能装置，来控制由于周期延长而导致的过大的墩、梁相对位移；③必须能够支撑整个结构，保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。图1为加速度反应谱，图2为位移反应谱。

一致地震输入下，多质点体系的地震振动方程式为

式中：M，C，K分别为结构的质点体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；，，δ分别为质点对地面的加速度矢量、速度矢量和位移矢量，均为时间t的函数；I为惯性力影响矩阵；g（t）为地震动加速度时程列向量[11]。

可见，桥梁结构的地震反应与地面运动的加速度、结构的质量及其分布、阻尼和刚度有关。一般情况下不易改变桥梁结构的质量及分布，但是利用结构自身的延性或在桥梁中设置减震装置改变桥梁结构的阻尼、刚度，则会改变桥梁结构自身的动力特性、振动形态或使桥梁上下部结构之间、桥梁与地基之间产生动力互相干涉，减小地震作用，从而达到桥梁结构减震的目的[1213]。2工程算例分析

2.1工程概况

本文中以一座一联4×40 m简支转连续T形梁桥为例，高速公路引桥设计中较多采用这一类型桥梁。该桥上部为每幅6片T形梁，下部结构为框架墩、群桩基础，墩高为6.9～10.3 m，桥型布置如图3所示，其中，P表示支座墩，数字代表墩号。

采用有限元分析软件MIADS/Civil建立全桥空间有限元模型，主梁、桥墩和桩基础均采用三维梁单元，横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量；主梁与桥墩分别采用板式橡胶支座（常规设计方案）和铅芯橡胶支座（隔震设计方案）建立连接；采用表征土介质弹性值的m参数计算的等代土弹簧刚度模拟桩土作用，桩底固接；以非线性弹簧单元模拟铅芯橡胶支座的非线性力学行为。有限元计算简化模型如图4所示，桥梁地震动力分析有限元模型如图5所示。

为进行对比研究，分析计算工况包括板式橡胶支座非隔震桥梁地震动力时程分析和铅芯橡胶减隔震桥梁地震动力时程分析。2种模型支座设计采用如下形式。

2.3.1模型1：板式橡胶支座

对于板式橡胶支座，大量试验结果表明，其滞回曲线呈狭长形，可以近似做线性处理[14]。板式橡胶支座主要是靠增加结构柔性、延长结构周期来达到减震的效果，但是其减小桥墩地震荷载的同时，也增加了梁体与墩台之间的相对位移。因此，地震反应中，恢复力模型可化为线性方程，即

2.3.2模型2：铅芯橡胶减隔震支座

铅芯橡胶支座采用Park等在1986年提出的双向恢复力位移滞回理论模型（图6）。图6中，Kb为铅芯橡胶支座的水平刚度。利用2个正交的水平非线性弹簧来模拟铅芯橡胶支座的双向工作性状，并采用屈服前刚度K1、屈服后刚度K2和屈服强度Q作为铅芯橡胶支座的力学控制参数，将非线性模型简化为双线性模型（图7）进行分析计算。实际计算时，假定铅芯橡胶支座的滞回性能符合双线性模型，且支座在2个正交方向的恢复力模型相同。图7中，KB为铅芯橡胶支座的水平等效刚度，uy，Qy均为铅芯橡胶支座的屈服点，uB为铅芯橡胶支座的极限点，u为铅芯橡胶支座的有效设计变位。

铅芯有良好的力学特性、较小的屈服剪力（约为10 MPa）、足够大的初始剪切刚度（约为130 MPa）

Fig.7Bilinear Hysteretic Model of LRB及理想的弹塑性性能，且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能。铅芯能够提供地震作用下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度，因此由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求：在较小的水平力作用下，具有较大的初始刚度，变形较小；在地震作用下，铅芯屈服刚度降低，延长了结构周期，并且消耗了地震能量。endprint

铅芯橡胶支座的初始剪切刚度可以超过普通板式橡胶支座的10倍，其屈服后的刚度接近于普通板式橡胶支座的刚度。该桥P1～P5墩设置的铅芯橡胶支座型号为J4Q570×570×172G1.0。铅芯橡胶支座的相关参数见表1。

在结构地震反应时程分析中，如何选择输入的地震波，是一个很重要的问题。当选择地震波时，应该考虑地震动三要素，即地震动强度、地震动谱特性、地震动持续时间[15]。

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B0201—2008）和《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），该桥梁属于B类桥梁，基本地震动峰值加速度为0.20g，g为重力加速度，特征周期为0.40 s，Ⅱ类场地，场地系数为1.0，E1地震波抗震重要性系数为0.5，E2地震波抗震重要性系数为1.7。根据该桥梁地震烈度和场地土类别，采用和场址、场地土条件相近的天然地震波，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波，计算采用的地震波时程曲线如图8所示。表2中给出了地震波分析工况。

Tab.2Analysis Cases of Seismic Waves工况编号1地震波编号1加载方向11E211顺桥向+横桥向21E221顺桥向+横桥向31E231顺桥向+横桥向2.5非隔震桥梁与隔震桥梁动力特性比较

分别计算板式橡胶支座和铅芯橡胶支座对应模型的动力特性，2种模型前10阶的计算结果如表3所示。

由表3可以看出：模型2较模型1延长了结构的周期。模型1和模型2在切向和径向2个平动方向上支座的刚度较小，结构动力特性以侧弯的振型为主，第8阶才表现为竖弯振型。2种模型振型出现的先后顺序是一致的，第7阶以后2种模型的周期相等。

2.62种模型的内力响应、位移响应比较

为评价隔震桥梁的性能，对采用铅芯橡胶支座的隔震桥梁与采用板式橡胶支座的非隔震桥梁进行

减震率η定义为采用铅芯橡胶支座时的地震反应与采用板式橡胶支座时的地震反应相比降低的百分比，地震反应参数包括墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩。η可表示为[16]

η=SLRB-S1S

式中：SLRB为铅芯橡胶支座地震时的地震反应；S为板式橡胶支座地震时的地震反应。

分析计算结果取3个工况作用下结构最大响应，分别比较2种模型的内力响应、位移响应。

2.6.1内力响应最大值比较

分别计算3个工况作用下2种模型对应的桥墩内力响应和减震率，墩底剪力和墩底弯矩的计算结果分别如表4，5所示。

2.6.2位移响应最大值比较

分别计算3个工况作用下2种模型对应的位移响应，主梁位移、墩顶位移和支座位移的计算结果分别如表6，7所示。

2.7铅芯橡胶支座力学参数对减震效果的影响

在其他条件一致前提下，通过改变铅芯橡胶支座的力学参数（屈服强度、初始刚度）来研究铅芯橡胶支座的减震效果。

2.7.1屈服强度对减震效果的影响

在其他条件一致前提下，通过改变铅芯橡胶支座的屈服强度进行研究。下面分别计算铅芯橡胶支座初始刚度为13 000 kN·m-1时，屈服强度分别为67，96，171，267，363 kN这5种情况下桥墩弯矩、位移以及主梁位移，计算结果见图9～11。

2.7.2初始刚度对减震效果的影响

在其他条件一致前提下，通过改变铅芯橡胶支座的初始刚度进行研究。下面分别计算铅芯橡胶支座屈服强度为171 kN时，初始刚度分别为9.6，13，19.6，24.7，28.4 MN·m-1这5种情况下的桥墩弯矩、位移以及主梁位移，计算结果如图12～14所示。

而增大；主梁顺桥向位移和横桥向位移随着铅芯橡胶支座初始刚度的增大先增大后减小。3结语

（1）铅芯橡胶支座较板式橡胶支座设计的桥梁可以延长结构的周期。板式橡胶支座和铅芯橡胶支座设计的桥梁结构动力特性均以侧弯的振型为主，而竖弯振型出现较晚，2种模型振型出现的先后顺序是一致的。

（2）铅芯橡胶支座的减震效果优于板式橡胶支座，设计的铅芯橡胶支座具有明显的减震效果；设计中采用铅芯橡胶支座可以大幅度减小各墩墩底剪力及墩底弯矩，各墩所受地震力重新合理分配且受力趋于平衡。

（3）较常规板式橡胶支座设计，采用铅芯橡胶支座，可以减小主梁、墩顶和支座的位移；墩顶的位移小于主梁和支座的位移，桥墩的位移均较小，在E2地震作用下，桥墩结构能够处于弹性受力阶段，保证了桥墩的安全；采用铅芯橡胶支座，减小了墩顶的位移，但是主梁和支座的位移较大，因此上部结构设计时应该设置防落梁装置和防撞挡块，以确保结构的安全。

（4）在其他条件一致前提下，增大铅芯橡胶的某个力学参数（屈服强度或初始刚度）虽然可以减小主梁的位移，但是增大了墩顶的位移和墩底的内力。因此在减隔震设计中，只考虑增大铅芯橡胶支座的型号反而会给桥梁下部结构带来不利的影响。参考文献：

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