桥梁滑移减隔震支座减震性能试验分析

崔海军

（扬州工业职业技术学院 建筑工程学院，江苏 扬州 225127）

为了延长桥梁结构周期，消耗地震能力达到减震作用，桥梁结构减震设计对保障人身安全及社会效益来说意义重大。通过应用减隔震技术可以有效延长桥梁结构周期，减小桥梁结构地震的影响后果，减隔震支座的本质作用是为了分开可能破坏桥梁结构的作用力，在上下部结构之间设计隔震耗能装置。目前此类装置已经在多个桥梁工程中广泛应用，且减隔震支座技术作用也得到了充分认可。本次研究作为基于现阶段国内外常规所用减隔震支座基础上，提出的一种新型铅芯橡胶隔震支座设计思路，通过对此减隔震支座的减震性能进行仿真分析，证明设计此新型支座结构，能够获得较好的剪切位移并满足竖向刚度应用需求，有效延长了桥梁结构的自振周期，减小地震响应达到了预期减隔震效果。

1 项目概况

本次以某地T型桥梁结构为例，运用ANSYS有限元仿真模型，以《公路桥梁抗震设计细则》为研究指导，设计地震作用下计算桥梁滑移减隔震支座的抗震性能。此桥梁越河而建，PK23+619中心桥梁桩号，地处低平略有丘陵起伏，地质基本为1 m厚度硬壳层，上部主要是17.3~21.3 m的淤泥质土，强度不高，下部主要为稍密的亚砂土，含有少量粘性土，中层主要为软塑状压黏土。桥面连续T梁结构，设计桥梁结构基准期为100年。

2 桥梁滑移减隔震支座结构设计

此种新型减隔震支座结构采用上下串联形式，在上下部分设计转换装置，上下分别为聚四氟乙烯-不锈钢板滑移装置、铅芯橡胶垫与不锈钢钢板低摩擦滑动的大位移优势，铅芯橡胶减隔震支座能够发挥多向滑移功能，在桥梁纵横双向结构均设计具体滑移量（见图1）。经上部摩擦滑移装置，产生温度、混凝土徐变与车辆制动所需位移，下部滑动摩擦位移作为所受地震作用下，可以提供较大摩擦位移和耗能，这样可以对桥梁上部分结构形成有效保护作用力。并且铅芯橡胶垫可以对上下部结构发生位移最大化情况下，有效耗散地震能力，从而充分减小所受地震影响对桥梁结构的损害，也可以一定程度上减小桥梁上部梁体位移，预防发生桥梁震落。

图1 新型桥梁滑移-铅芯减隔震支座

3 建立桥梁抗震性能计算模型

为了更好地研究本次设计的新型桥梁滑移铅芯减隔震支座的抗震性能，运用ANSYS有限元软件建立仿真模型（见图2），包括8 987个单元与12 431个节点。

图2 有限元模型

3.1 支座连接

本次仿真分析地震作用下，支座在水平方向的整体刚度，密切关联结构地震响应大小，那么在实际建模中就要与本次设计新型减隔震支座的原理特点相结合，建立适当的恢复力模型，简化此支座结构在平动、转动不同方向的自由度，将支座可活动方向刚度取值为0，不可活动方向则经主从刚性、弹性连接模拟。计算此减隔震支座的结构抗震性能，根据以往试验结果反映此类支座较小且狭长的滞回曲线面，在分析中基本可以近似线性处理，所以选择现行弹簧连接对支座模拟计算。改变X、Y、Z不同支座方向下的刚度值，根据下面公式计算支座在水平、竖向的力学性能。

式中：支座上部结构和桥墩顶部发生的相对位移用x表示；减隔震支座的等效剪切刚度用K表示。

3.2 荷载作用力施加方式

在本次计算桥梁滑移减隔震支座的抗震性能时，所施加的荷载作用力形式包括两种，第一是桥梁上下部结构自重，第二是桥面铺装与栏杆为主的横向荷载作用力。

一般情况下对于支座内的钢板选用Q235钢，由于此种钢材能够在限制橡胶材料形成较大剪切变形时，提供支座所需的竖向承载作用力，所以此钢板设计一般以水平方向发生位移，并无任何变形扭曲，与此部位的受力变形情况相结合，最终选用SOLID45 3E实体单元模拟钢板，对钢板弹性模量取值为E=2.05×105，泊松比为0.3。钢支座应用了天然橡胶材料，此种材料特性几乎不可压缩，通过运用有限元设计，在10 000 KN竖向千斤顶作用力下，用于本实验的荷载作用力加压装置，保持水平荷载作用力在±500 N电液伺服加载系统，保持正弦波水平位移最大极值在±200 mm区间。

通过设计本次减隔震橡胶支座，主要是为了对此支座的水平刚度成功改变，能够延长结构自振周期，成功避开结构主频带，这样能够对支座结构所承受的地震响应有效减小。在研支座竖向力学性能过程中，设定支座需要在试验中承受竖向σ=（1±30%）10 MPa压应力，对支座在竖向的具体位移变化情况仔细观察，根据变化情况即可评价支座在竖向承载作用力。对于支座在水平向无任何位移（0 mm）情况时，对竖向作用力与支座位移之间的关系展开试验，通过控制竖向荷载作用力，施加竖向压力过程中，保持荷载作用力为（1±30%）10 Mpa，设计0.3 Hz正弦波频率，完成循环4次重复加载，并对第三次重复取值，用于支座竖向刚度计算依据。最终根据4次施加竖向荷载作用力，获得的作用力与位移关系。

4 抗震性能仿真结果分析

4.1 减隔震支座应用前后不同模态振型与周期变化

在地震作用下分析减隔震支座结构模态分析，（见图3）根据此T型桥梁结构在应用本次设计新型减隔震支座对比普通支座，在地震情况下的桥梁结构振型图，能够发现X、Y两方向在20振型下，基本达到90%的参与质量，证明了本次仿真设计选择振型阶数基本满足规范要求。（见表1）为使用减隔震支座前后，在不同振型级别下，支座结构的自振周期变化情况与增加率，反映出通过使用减隔震支座，在施加地震作用下，可以利用减隔震支座的橡胶隔震层变形作用，有效吸收地震荷载力控制下部结构被破坏程度。

图3 桥梁结构振型图

表1 桥梁滑移减隔震支座应用前后自振周期变化

4.2 地震水平承载力试验结果

对本次设计新型橡胶减隔震支座结构，施加水平轴力变量分别为420 kN、540 kN、660 kN，并设计水平承载力的加载速度分别为1.0 mm/s、2.0 mm/s、4.0 mm/s，对于不同地震条件下绘制减隔震支座的结构承载力滞回曲线。其中在420 kN水平轴力，2.0 mm/s承载力加载速度下，（见图4）为滞回曲线，反映了减隔震支座的结构变形基本呈比较饱满的平行四边形，证明本次设计这一新型桥梁减隔震支座的耗能效果较好，基本可以有效达到消能减震作用，并且加载中可以保证不改变减隔震支座与底板摩擦作用力。除此之外桥梁滑移减隔震支座在最初具备一定刚度值，这样对于正常用桥中抵抗支座水平荷载作用力同样十分有利。

图4 420kN轴力，2.0mm/s加载速度情况下滞回曲线

4.3 支座竖向承载力试验结果

设计桥梁减隔震支座以反复三次施加竖向作用力，压缩变形试验结果（见表2），根据试验结果反映出对支座施加三次试验的过程中，支座有正常的外观表象，失稳情况并未发生，并且在减隔震支座所承受竖向轴力下，基本为恒定竖向抗压刚度结果，全部完成竖向加载作用力后支座仅仅发生约0.6 mm的残余变形。在竖向荷载作用下，因为支座承受水平集中力的原因。在极限承载力作用下，支座未出现拉裂破坏，应力未达到破坏值，说明该支座水平方向柔度满足使用要求。

表2 支座竖向压缩变形结果

（见表3）为竖向地震作用力条件，桥梁滑移减隔震支座与普通支座的安全系数对比结果，反映出假设不改变截面尺寸，使用本次设计的新型减隔震支座在竖向方向的承载作用力，可以达到普通支座的承载作用力1.42倍。那么通过发挥减隔震支座的隔震作用，能够明显增加桥墩的安全系数，避免桥梁结构受损。

表3 地震作用下水平承载力对比结果

5 结语

综上，通过在本次研究设计一款新型桥梁滑移减隔震支座结构，分析了此支座结构的抗震性能，经过对比减隔震支座应用前后的桥梁结构振型图，发现本次设计减隔震支座可以有效吸收地震荷载力控制下部结构被破坏程度。并且分别对减隔震支座进行地震水平承载力、支座竖向承载力试验，发现本次设计新型桥梁滑移减隔震支座结构，增加了支座的减隔震结构周期高达230%，可以有效降低桥梁结构在地震作用下的损害率。