铅芯橡胶支座对桥梁地震响应影响及分析

费 文

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近年来，铅芯橡胶支座作为一种减隔震支座得到了国内外的广泛研究和使用。研究和实验结果表明，铅芯橡胶支座可以减小结构内力响应和位移，改善结构的抗震性能。

为了研究对比铅芯橡胶支座对先简支后连续小箱梁抗震性能的影响，本文以一座4×25 m先简支后连续小箱梁桥为例，采用midas civil 2015有限元软件，以铅芯橡胶支座和普通板式支座分别建立两组模型，在其他条件都相同的条件下，探究两种支座设计下，桥梁结构的动力特性以及采用铅芯支座设计后桥梁的内力、位移响应与板式支座的差别，同时进一步探究铅芯橡胶支座的滞回曲线及耗能机理。

1 工程概况

晋白线分离立交桥位于大运高速姚村互通连接线上，为跨越晋白线而设，桥梁全长106 m，桥宽24.5 m。上部结构采用4×25 m预应力混凝土连续小箱梁，下部结构桥墩采用柱式墩，桥台采用肋板台，全桥采用桩基础。主梁采用C50预应力混凝土小箱梁，单幅4片小箱梁，先简支后连续，盖梁和桥墩采用C35混凝土。本桥桥型布置图和典型横断图见图1、图2。

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

图1 桥型布置图（单位：cm）

图2 典型横断面图（单位：cm）

采用midas civil 2015分别建立两组空间有限元模型。桥梁上部小箱梁采用梁格法模拟，使其具有整体纵向抗弯刚度及横向抗扭刚度，横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量；采用弹塑性梁单元模拟桥墩，桩基采用土弹簧模拟桩土之间的作用效应，桩底固结[1]。全桥结构的三维有限元模型如图3所示。

图3 全桥三维有限元模型

2.2 铅芯橡胶支座和板式橡胶支座刚度计算

2.2.1 板式橡胶支座

对于板式橡胶支座，大量实验结果表明，其滞回曲线呈狭长形，可以近似做线性处理。板式橡胶支座可用线性弹簧单元模拟[2]。其水平等效刚度可按式（1）计算：

式中：Gd为板式橡胶支座动剪切模量，取1 200 kN/m2；Ar为板式橡胶支座的剪切面积；∑t为板式橡胶层的总厚度[3]。

本桥1号墩到3号墩板式支座采用GYZ400×69，支座水平方向等效剪切刚度为：

近似选取水平方向刚度Kx=Ky=3 000 kN/m，其中Kx、Ky分别为板式支座横桥向剪切刚度和顺桥向剪切刚度。

2.2.2 铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座主要耗能材料为支座内部嵌入的铅芯，在地震力等时变荷载作用时，铅芯发生塑性变形吸收能量。由于铅芯具有动态恢复以及再结晶的材料特性，故在反复荷载作用下支座滞回曲线较丰满，能够起到隔震减震作用。其余部分为橡胶层及钢板黏结而成，与板式橡胶支座类似，钢板及橡胶提供竖向刚度以及弹性变形。

本桥1号墩到3号墩采用铅芯支座型号为J4Q420×420×125G0.8，铅芯橡胶支座的相关参数见表1。

表1 铅芯橡胶支座参数表

2.3 地震波的模拟

本桥模型建立中均考虑了自重和铺装、护栏等二期恒载的作用。桥位处地震动加速度峰值为0.2g，特征周期0.45 s，场地类型Ⅱ类，桥梁抗震设防类别为B类，抗震设防烈度为Ⅷ度，抗震设防措施等级为9级。根据桥位处的地震烈度和场地土类别，模拟出3组地震波，限于篇幅限制，本文只取用其中一组地震波进行分析，采用顺桥向+横桥向的加载方式，E2地震波时程曲线如图4。

图4 E2地震波

3 E2地震作用下结构时程分析比较

为了更好地比较铅芯橡胶支座和板式橡胶支座的抗震性能，引入减震率的概念。减震率η定义为采用铅芯橡胶支座时的地震反应和采用板式橡胶支座时的地震反应相比降低的百分比。η可表示为[4]：

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。

3.1 结构自振周期

图5 结构自振周期图

由图5可得出，结构的最大自振周期在使用铅芯支座后明显比使用普通板式支座延长，普通板式支座下，结构最大自振周期为1.32 s；使用铅芯支座后，结构自振周期为1.54 s。延长结构的基本周期，可以避免能量集中的范围，增强结构的耗能能力，从而降低结构受到的地震力，减小对结构的损坏。

3.2 结构内力响应比较

分别计算两种支座模型下，桥墩墩底的剪力、弯矩和减震率，计算结果分别汇总如表2、表3所示。

表3 两种支座下墩底弯矩比较

由表2、表3可以看出，铅芯支座相比板式支座极大地减少了桥墩的内力响应，具有较明显的减震效果，铅芯支座比板式支座顺桥向剪力最大减震率为11.5%，横桥向剪力减震率达到35.8%；铅芯支座相比板式支座顺桥向弯矩最大减震率为23.3%，横桥向减震率达到22.1%，同时，各桥墩墩底所受的剪力和弯矩更趋于平衡。

3.3 结构最大位移值比较

分别计算两种支座模型下，桥墩墩顶位移、主梁位移，计算结果汇总如表4、表5所示。

表4 两种支座下纵向位移比较 mm

由表4、表5可以看出，铅芯支座相比板式支座，主梁位移和墩顶位移都明显减小。在E2地震波作用下，铅芯支座模型墩顶的横桥向和纵桥向位移均比较小，有效减小墩柱的变形，保护了墩柱的安全。由表4、表5还可以看出，在E2地震力作用下，主梁的位移相对较大，因此在设计时，需加强上部主梁防落梁装置和防震挡块的设计，避免主梁位移过大，确保结构的安全。

4 铅芯支座滞回曲线及耗能机理分析

铅芯支座滞回曲线产生的机理，以顺桥向地震力为例。支座在水平力作用下首先发生弹性变形，随着力的增大直到支座达到屈服强度。然后发生塑性变形，力达到最大，随后力逐渐减小，此时支座剪切位移也在减小。但是在理想化的支座力学模型中，剪力的变化率（即支座的实时刚度）增大，力减小到零时支座剪切变形依然存在，反向力作用下剪切变形逐渐减小直至为零。反向力继续增加，支座发生反向剪切变形。这个过程重复就形成了支座滞回曲线。每一个地震力周期滞回曲线的面积即为铅芯支座耗能。

根据前述铅芯橡胶支座模型，输出各个桥墩墩顶的滞回曲线，通过滞回曲线中滞回面积环的大小，可以直观地看出铅芯橡胶支座的隔震效果。图6、图7为桥墩支座顺桥向及横桥向的滞回曲线。

图6 桥墩支座顺桥向滞回曲线

图7 桥墩支座横桥向滞回曲线

由图6、图7桥墩滞回曲线图可以看出，支座的滞回曲线在顺桥向和横桥向都很饱满，支座的滞回曲线范围大，说明在地震力作用下，支座的耗能作用明显。通过铅芯支座的滞回耗能作用有效地减少了桥墩墩底的弯矩，减小了墩顶纵横向位移，取得了优异的减隔震效果，确保了桥梁结构的安全。

5 结论

a）桥梁结构采用铅芯橡胶支座相比板式橡胶支座，可以延长桥梁结构的自振周期，增加桥梁结构的延性和阻尼。

b）桥梁结构采用铅芯橡胶支座相比板式橡胶支座，具有明显的减震效果。采用铅芯橡胶支座后，各墩受到的地震力重新分配，并且更趋于平衡，各墩墩底所受剪力及墩底弯矩大幅度减小。

c）桥梁结构采用铅芯橡胶支座相比板式橡胶支座，主梁和墩顶位移明显减小，确保了桥墩的结构安全；采用铅芯橡胶支座后，在地震作用下墩顶位移减小，但是主梁的相对位移较大，因此，在桥梁上部和下部结构设计时，应充分重视防落梁装置和防震挡块的设计，以确保桥梁结构的安全。