橡胶防撞垫片参数对曲线桥力学特性的影响

宋波+程景霞+王彦旭+毕泽锋

摘要：基于某两联曲线桥建立了计算模型，通过横桥向橡胶防撞垫片的设置，研究了橡胶垫片设计参数对曲线桥动力特性的影响。结果表明：橡胶垫片的加设使曲线桥旋转中心点转移，位移偏移方向改变；在设置橡胶垫片时，应考虑橡胶垫片的刚度以保证垫片作用力最大值不超过其极限值，避免梁体出现偏移；通过垫片的加设可以减弱梁体与挡块的碰撞，降低墩底曲率延性需求系数；随着间隙值的增大，橡胶垫片利用率明显下降，相对垫片的负荷增大，在保证曲线桥温度正常服役变形要求的前提下尽量减小间隙值的取值；随着硬度的增大，橡胶垫片强度增大，变形能力减弱，进而造成橡胶垫片利用率降低，建议选取邵氏硬度55作为橡胶垫片的首选值。

关键词：曲线桥；橡胶垫片；力学特性；间隙值；硬度

中图分类号：TU311文献标志码：A

Abstract： The calculation model was established based on a curved bridge with twolinking， and the influences of parameters of rubber gasket on mechanical characteristic of curved bridge were studied. The results show that application of rubber gasket make the rotation center of curved bridge transfer and the offset direction change. When rubber gasket is arranged， the stiffness of rubber gasket should be considered to ensure that the maximum force of gasket doesnt exceed the limit value， and the deviation of beam body is avoided. The impact of beam body and block stop can be reduced by addition of gasket， and the curvature ductility demand coefficient of pier bottom can be reduced. The utilization rate of rubber gasket decreases obviously and the load of relative gasket increases with the increase of gap value. Under the premise of ensuring the normal service deformation requirements of temperature of curved bridge， the gap value should be reduced as far as possible. With the increase of hardness， the strength of rubber gasket increases， the deformation ability is weakened， and the utilization rate of rubber gasket is reduced. It is suggested that the Shore hardness value of 55 is taken as the first choice of rubber gasket.

Key words： curved bridge； rubber gasket； mechanical characteristic； gap value； hardness

0引言

2008年中国四川省汶川县发生8.0级地震，造成大量公路桥梁破坏，该地区的桥梁主要为连续简支梁桥，支座多为直接搁置的板式橡胶支座，地震中稳定性较差，主梁与桥墩连接较为薄弱，更多地发生横向、纵向移位，乃至最终落梁[1]。中国地震局2015年11月3日发布中国第5代地震区划图，该区划图以抗倒塌为设防目标，罕遇地震作用桥在该区划图中得到充分体现。然而罕遇地震作用下曲线桥主梁梁体与横桥向挡块碰撞受损严重，纵向、横向相对位移过大易发生落梁，给灾后救援增加了难度。本文基于曲线桥横桥向橡胶垫片的设置，为防止曲线桥横桥向相对位移过大而导致落梁坍塌，提出了较为经济合理的措施。

现阶段各国对曲线梁桥的抗震性能进行了初步探究。朱东升等[2]采用反应谱法计算了曲线桥地震反应，研究了计算精度、计算中需选取的振型数及最大值的组合方法；聂利英等[3]基于位移和多级设防的桥梁抗震设计思想对曲线梁的抗震性能进行了评估。在数值仿真分析方面，魏双科等[4]提出了一种双脊骨空间有限元模型以模拟和分析立交桥曲线箱梁的固有振动特性和动力反应。曲线梁桥碰撞破坏的研究开展相对较少，李黎等[56]研究了公路和城市立交曲线梁桥的相邻梁体碰撞地震反应，分析了铅芯橡胶支座对邻桥碰撞反应的影响；郭安薪等[7]研究了针对高架桥梁碰撞的磁流变阻尼器（MR）半主动控制以及采用形状记忆合金（SMA）限位器的落梁控制；Shrestha等[8]研究了梁间形状记忆合金的连梁装置在罕遇地震作用下的有效性；Khatiwada等[9]基于考虑线性、非线性力位移关系的模型，研究了邻梁间的碰撞效应及碰撞力；黄勇等[10]研究了汶川地震中小半径曲线连续梁桥不同下部结构形式及固定墩上下部结构不同连接方式对曲线梁桥抗震性能的影响；王阳春等[11]指出地震波输入方式、墩梁约束形式、宽度和跨径的改变对小半径匝道曲线梁桥地震响应的影响较大；王军文等[12]研究了横桥向地震作用下非规则梁桥梁体与抗震挡块间的碰撞对结构横桥向地震反应的影响；徐略勤等[13]研究了考虑上部梁体与防震挡块间横向碰撞效应的非规则梁桥横向地震力分布规律；石岩等[14]建立了考虑偏心距、桥墩弹塑性、桩土相互作用等因素的合理碰撞模型；邓育林等[15]研究了横向地震作用下梁体与挡块间的碰撞效应，推导出阻尼常数与恢复系数间的关系表达式，并提出了为减小梁体与横桥向挡块间碰撞效应的挡块刚度合理取值。

本文以某两联八跨曲线桥作为研究对象，考虑碰撞过程中的能量损失，建立了加设横桥向橡胶防撞垫片装置的计算模型，分析了横桥向橡胶防撞垫片设置前后曲线桥动力特性的改变，并对间隙值、橡胶硬度等设计参数进行了分析。

1橡胶防撞垫片作用机理

加设横向防撞橡胶垫片的曲线桥梁间与挡块的计算模型[图1（a）]设置了2个间隙单元，其作用原理为：当上部梁体与橡胶垫片的相对距离为0时，橡胶垫片的间隙单元开始发挥作用，橡胶垫片承受压应力进而发生压缩变形；随着该过程的持续，当梁体与挡块间的相对距离减小到0时，梁体与挡块横向碰撞的第2个间隙单元开始发挥作用，而梁体与橡胶垫片的间隙单元在此时退出工作，即代表橡胶垫片失效。碰撞过程中的恢复力特性如图1（b）所示（其中，F为恢复力，u为位移），在对防撞橡胶垫片进行设计时通常改变上部梁体与橡胶垫片的间隙d0、橡胶垫片与横桥向挡块的间隙d1，以及橡胶垫片刚度k1、碰撞刚度k2等，进而分析其对结构碰撞反应和结构整体动力响应的影响。

4.2橡胶垫片硬度对曲线桥动力响应影响

沿各墩分别提取不同橡胶垫片硬度所对应的梁体与墩顶的相对径向位移，如图10所示。天津波作用下除7#墩外其余各墩相对径向位移均随着橡胶垫片硬度的增大而减小，7#墩处相对径向位移较无橡胶垫片时增大；T1Ⅲ波作用下各墩相对径向位移基本随着橡胶垫片硬度的增大而减小，相对径向位移减小值最大出现在2#墩处，减小52.3%。在不同地震动作用下，曲线桥上部梁体与墩顶的相对径向位移基本都包络在无橡胶垫片的曲线内，随着橡胶垫片硬度的增大，梁体与墩顶的相对径向位移基本呈减小的规律，但个别墩处易发生突变，选取橡胶垫片硬度值时应着重考虑这类突变对曲线桥整体动力特性的影响。

不同橡胶垫片硬度时防撞橡胶垫片利用率如图11所示。同各墩防撞橡胶垫片的利用率极限值相比，随着硬度的增大，2#墩处曲线桥保持偏右的运动，右边橡胶垫片承担负荷大；第1联5#墩处左右两边橡胶垫片的作用力同极限值比值的最小值分别为0.28，0.55，表明在该处曲线桥仍偏右运动，第2联5#墩处该比值分别为0.65，0.56；9#墩与第2联5#墩处的规律相同。随着橡胶垫片硬度增大，梁体与挡块间橡胶垫片作用力最大值同极限值的比值呈减小趋势，即随着硬度的增大，橡胶垫片强度增大，图11不同橡胶垫片硬度时的利用率变形能力减弱，进而造成橡胶垫片利用率降低。

5结语

（1）由于横桥向防撞橡胶垫片的加设，曲线桥运动形式发生改变，梁体与墩顶相对径向位移减小明显，在设置橡胶垫片时，考虑橡胶垫片的刚度以保证橡胶垫片最大碰撞力不超过其极限值，避免梁体出现偏移；另外，通过橡胶垫片的加设可以有效减弱梁体与挡块的碰撞，耗散能量，降低墩底曲率延性需求系数。

（2）随着间隙值的增大，曲线桥梁体与墩顶的相对径向位移变化规律呈非线性增大，橡胶垫片利用率明显下降，同时增大了橡胶垫片的负荷，梁体与挡块的横向碰撞力呈增大趋势。因此，在保证曲线桥温度正常服役变形要求的前提下尽量减小间隙值的取值。

（3）随着橡胶垫片硬度的增大，梁体与墩顶的相对径向位移减小，梁体与挡块横向碰撞反应减弱，但橡胶垫片强度增大，变形能力会相应减弱，进而造成橡胶垫片利用率降低。通过综合比选各指标，建议对于类似曲线桥，橡胶垫片邵氏硬度55为首选值。

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