支座形式对简支梁桥地震反应的影响1

2018-03-19赵宇翔

震灾防御技术 2018年4期

赵宇翔

（同济大学，土木工程学院，上海 200092）

引言

桥梁支座是桥梁中负责传力的重要构件，主梁的自重以及主梁上的荷载需要通过桥梁支座传递给下部结构。但在地震中，桥梁支座容易成为薄弱环节，如果处理不当会出现落梁等震害。同时，桥梁支座也在桥梁的抗震设计中发挥着重要的作用，选择合适的桥梁支座可以起到减隔震的作用。

目前，桥梁支座发展出各种形式，如板式橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座等，而使用不同形式的桥梁支座会对地震反应产生不同的影响。因此，研究不同桥梁支座对地震反应的影响将有助于桥梁的抗震设计。

减隔震支座可以延长结构周期、增大阻尼比，从而起到减隔震作用（封伟伟等，2018）。已有针对普通盆式支座、铅芯橡胶支座与摩擦摆支座对简支箱梁桥减震效应影响的研究，验证了减隔震支座在桥梁减隔震中均有明显的作用，摩擦摆支座与铅芯橡胶支座的隔震效果较为接近，但从承载力与耐久性方面考虑摩擦摆支座优于铅芯橡胶支座（蔡成奇，2017）。通过研究桥梁采用盆式支座、水平力分散型支座、阻尼支座、铅芯支座、球型减隔震支座、减隔震盆式橡胶支座时的前5阶模态、周期以及在采用上述支座时，桥梁上、下部结构的位移与内力响应，得出不同支座所适用的桥梁类型（娄小勇，2016）。

上述研究均是基于地震的同1个方向进行分析的，且主要对使用不同支座时桥梁与支座的受力情况进行评判，对支座耗能的研究较少，也未能从能量的角度解释不同支座具有不同抗震性能的原因。

本文基于实际简支小箱梁桥建立的单墩模型，设置板式橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座3种支座形式，选择与规范反应谱频谱特性一致的实际地震记录作为输入，采用时程分析方法研究支座形式对地震时桥梁的支座位移、支座剪力、墩底弯矩、墩底剪力、振型周期的影响，并从周期延长和能量耗散的角度对铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座这2种减隔震支座的减震性能进行比较，为实际工程中的支座选取提出建议。

1 动力计算模型的建立

1.1 结构简介

某简支小箱梁桥如图1所示（叶爱君等，2017），跨径为30m，桥宽为11m，基础采用2×2的桩基础，桩径1.2m，承台尺寸为5.2×5.2×2m，桥墩高8.5m，纵向宽1.4m，横向宽2.5m，盖梁高度1m，桥墩盖梁与主梁通过支座连接，一跨主梁质量为673.2×103kg。

图1 小箱梁桥模型Fig.1 Model of small box girder bridge

图2 小箱梁桥动力计算模型Fig.2 Dynamic calculation model of small box girder bridge

1.2 动力计算模型

针对上述桥梁结构，基于SAP2000程序，建立如图2所示的单墩模型。其中，盖梁为截面10m×3m、高度1m的杆单元；桥墩为截面2.5m×1.4m、高度8.5m的杆单元；承台为截面5.2m×5.2m、高度2m的杆单元；材料均为C40混凝土。基础采用六弹簧模拟，刚度用桩基础m法计算，纵、横、竖向平动刚度分别为5.047×105kN/m、5.047×105kN/m和7.09×106kN/m，纵、横、竖向转动刚度分别为2.125×107kN/m、2.125×107kN/m和3.331×106kN/m。主梁简化为一质量为6.732×105kg的质点，支座用长度为0.5m的link单元模拟。

1.3 支座的选用

考虑桥梁的各种荷载组合，主梁对支座的最大压力为1×104kN，分别选用板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座。

（1）板式橡胶支座

根据规范《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》（中华人民共和国交通部，2007），每个墩顶设置2×8个GYZ300板式橡胶支座，其总承载力为10576kN，符合要求。支座的容许剪切位移等于其橡胶片总厚度61mm。

根据板式橡胶支座的刚度计算公式（叶爱君等，2002）：

其中，G为支座的动剪切模量，现行规范建议取1200kN/m2；A为支座的剪切面积，∑t为橡胶片总厚度。计算得出支座并联后总刚度为22250kN/m。

不允许支座滑动时，采用如图3所示的线性模型，在SAP2000中使用Liner模拟。

（2）铅芯橡胶支座

根据规范《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》（交通运输部，2012），每个墩顶设置2×8个Y4Q420圆形铅芯隔振橡胶支座，其总承载力为16000kN，符合要求。每个支座屈服力为61kN，剪切弹性模量G＝1.2MPa，屈服前刚度7.5kN/mm，屈服后刚度1.2kN/mm，水平等效刚度1.5kN/mm，等效阻尼比13.9%。使用图4所示的双线性恢复力模型，在SAP2000中用Plastic（Wen）模拟，其中Qd为特征强度，Ku为初始弹性刚度，Kd为屈后刚度，Keff为等效刚度。

图3 线性模型Fig.3 Linear model

图4 双线性恢复力模型Fig.4 Bi-liner restoring force model

（3）高阻尼隔震橡胶支座

根据规范《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》（交通运输部，2013），每个墩顶设置2×8个HDR（I）295圆形高阻尼隔震橡胶支座，其总承载力为11264kN，符合要求。每个支座屈服力为33kN，剪切弹性模量G＝1.2MPa，初始水平刚度7.81kN/mm，屈服后水平刚度0.92kN/mm，水平等效刚度1.28kN/mm，竖向压缩刚度529kN/mm，等效阻尼比17%。使用与铅芯橡胶支座相似的恢复力模型，在SAP2000中用Plastic（Wen）模拟。

支座的选取如表1所示。

表1 支座选型Table 1 Alternative types of the bridge bearing

续表

2 地震输入

以《城市桥梁抗震设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2011）中的Ⅲ类场地规范反应谱（峰值加速度调为0.4g，特征周期为0.55s）（任爱珠等，2014）为目标，考虑近场地震，选取了7条实际地震记录（峰值加速度调为0.4g）作为后续时程分析的地震输入。图5为其中1条地震加速度时程曲线，而图6则是7条实际地震记录拟合得到的地震加速度反应谱与规范反应谱的比较，可见7条实际地震记录的平均反应谱和规范反应谱的频谱特性吻合较好。

图5 加速度时程曲线Fig.5 Acceleration time-history curve

图6 反应谱曲线Fig.6 Response spectrum curve

3 计算结果与讨论

3.1 桥梁地震反应比较

针对上述单墩模型，分别采用7条地震加速度记录，沿纵、横向进行地震输入，进行了桥梁的时程反应分析，计算结果取7条记录的平均值。

表2列出了横向地震输入下，桥梁的主要地震反应。从支座位移来看，选用板式橡胶支座会使支座位移远远大于其容许的剪切位移（61mm），导致落梁等破坏。而使用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座可将支座位移大大减小至板式橡胶支座1/2的水平，2种支座的位移均小于其容许位移，因此在该工程中可使用铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座，但板式橡胶支座则不符合要求。从桥墩与支座受力的角度看，选用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座均可显著减小墩底剪力与墩底弯矩，而高阻尼橡胶支座的效果更为明显。因此，铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座均有良好的减隔震性能，可以有效地减小地震对桥墩的破坏。综合来看，铅芯橡胶支座在减小支座位移方面更有优势，其位移为板式橡胶支座的44%，高阻尼橡胶支座的位移则为板式橡胶支座的59%。高阻尼橡胶支座的优势表现为减小桥墩与支座的受力，可将剪力与弯矩减小至板式橡胶支座的53%左右，而板式橡胶支座的剪力与弯矩则减小至板式橡胶支座的63%左右。

表2 横桥向地震反应Table 2 Bridge respond to transverse earthquake

表3列出了纵向地震输入下，桥梁的主要地震反应。与横桥向类似，在纵向地震输入下，铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座的地震位移均能满足要求，而板式橡胶支座仍不能满足要求；铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座均可显著减小墩底剪力与墩底弯矩，且高阻尼橡胶支座的效果更为明显。

表3 纵桥向地震反应Table 3 Bridge respond to longitudinal earthquake

表2、3还表明，虽然桥墩的纵横向刚度差别很大，但桥梁的纵横向主要地震反应差别很小。这是因为支座的横桥向与纵桥向的平动刚度是相同的，且支座刚度明显小于桥墩基础的串联刚度，在地震下，支座、桥墩、基础的串联刚度对地震反应起控制作用，而支座对串联刚度起控制作用。

图7为3种支座在同1条横桥向地震输入下的位移时程。

图7 位移时程曲线Fig.7 Displacement time-history curve

3.2 桥梁基本周期比较

延长周期是减隔震技术的基本原理之一。因此，为了分析减隔震支座的减震性能，对3种支座设置方式对应的桥梁纵、横向基本周期进行了比较（表4）。其中，铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座对应的刚度为支座达到最大地震位移时的等效刚度。从表4结果可见，桥梁的纵、横向基本周期差别较小。与板式橡胶支座相比，高阻尼橡胶支座能略微延长桥梁结构的纵、横向基本周期，而铅芯橡胶支座则反而使结构周期减小了，这是因为使用的铅芯橡胶支座支承力为1.6×104kN，远超过了其它2种支座的承载力。由于板式橡胶支座能提供较好的柔性，与之相比，铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座在延长周期方面效果不明显，甚至，由于支座选型的问题，铅芯橡胶支座还使周期缩短。