隔震支座对结构抗震性能的影响分析

陈 敏

(武汉光谷建设投资有限公司，湖北 武汉)

前言

随着我国经济的快速发展，交通建设也迎来了快速发展期，在过去的40 年内，我国建造了大量的市政桥梁及公路、铁路桥梁。另一方面，近年来，地球地质活动处于活跃期，地震发生频率明显增高，且高烈度地震的破坏程度也较以往有明显增加[1-2]。地震作用下桥梁结构的完整性对震后救灾有至关重要的作用。部分地区桥梁可能是进入重灾区的唯一途径，一旦桥梁在地震作用下发生严重破坏，将会严重影响救援人员和车辆的进入，导致救援无法及时开展，造成严重的人员和经济损失[3-4]。

桥梁结构总体可分为上部结构和下部结构，上部结构主要指主梁，下部结构主要指桥墩、系梁、承台和桩基。上下部结构之间通常可分为固结和支座连接两种方式。固结作用下，上下部结构形成一个整体，地震作用下，两者共同受力，破坏力从下部直接传到上部，造成的破坏往往较为严重[2]。采用支座连接的桥梁由于支座的缓冲和延迟作用，上部结构在地震作用下的惯性力传导至下构时会被很大程度地减小，从而保证下构的安全性。由于支座类型和作用原理的不同，相同上构荷载的情况下，下构所受到的地震作用也有较大区别[5-6]。减隔震支座旨在通过改变桥梁整体结构的自振特性从而更大程度地减少下部结构的破坏程度。

1 工程概况

某市政工程项目需新建道路2.5 km，其中除桥头顺接段采用路基方案，其余2.42 km 均采用桥梁方案减少占地，提供桥下通行空间。桥梁上构选用便于施工和景观相对较好的标准化预应力混凝土小箱梁，下构采用门架墩。其中一座桥梁恒海路大桥，为2×30 m 跨径组合，两端顺接其他桥梁。桥梁支座初步设计时选用普通橡胶支座，定测外业验收会议中专家提出研究减隔震支座在本项目的适用情况及预计效果。

项目地处7 度区，地震峰值加速度0.1 g，特征周期3.5 s，项目地类为二类。按照《公路桥梁抗震设计规范》（JTG T 2231-01-2020）中规定，反应谱公式为：

式中：S 为加速度反应谱；T 为周期；Smax为设计加速度反应谱最大值；Tg为特征周期；T0为反应谱直线上升段最大周期。

2 支座数学模型

支座位于简支梁或连续梁的上下构之间，起释放转动约束和竖向支撑的作用。在非地震作用下，上构与支座之间主要为静摩擦力，支座依靠橡胶的弹性变形来为上构提供转动自由度。当地震发生时，普通支座将地震作用从下构传至上构，结构的特征周期并未发生改变，因此结构的地震反应随着上构质量的增加而增加。

当采用减隔震支座时，地震作用下结构的上下部之间传力存在滞后，从而导致结构整体的特征周期变大。当结构的特征周期与地震反应谱的周期越接近时，共振效应越明显，结构在地震作用下的响应也就越大。因此当结构的周期较地震反应谱越远，地震响应也就越小。这就是减隔震的基本原理[5，7]。

常见的非减隔震支座有普通板式支座和盆式支座等，减隔震支座有铅芯橡胶支座等。铅芯橡胶支座在地震作用下，通过铅芯的变形来吸收能力，从而保证结构的安全。两种支座的力学模型如图1 所示。

图1 支座力学模型（a.普通橡胶支座；b.减隔震支座）

3 结构有限元分析

采用通用有限元分析软件Midas civil 建立结构的三维有限元模型。主梁、墩柱及桩基采用梁单元模拟，采用节点弹性约束模拟桩土作用，弹性约束的刚度通过“m”法计算获得。通过弹性连接来模拟支座，通过调节连接的刚度模拟不同支座类型。全桥共有392个节点，378 个单元。有限元模型如图2 所示。

图2 Midas civil 三维有限元模型

通过对有限元模型施加地震时程曲线来分析结构的地震响应。时程曲线由地震反应谱拟合获得，本文共分析三种不同拟合曲线的地震响应，并取平均值作为结构在该反应谱下的地震响应。分别记录桥梁桥墩在地震作用下的轴力及弯矩响应，并列表1、表2 所示。

表1 主梁为30 m 跨径时不同支座地震响应

表2 主梁为40 m 跨径时不同支座地震响应

从表1 及表2 可以看出，相较于普通支座，采用减隔震支座后，桥墩的轴力及弯矩都有所降低，且相较于轴力，弯矩的减小幅度更加明显。从截面的弯矩曲率分析可以知道，当轴力相同时，弯矩越大，截面失稳的概率越高；当截面所受的弯矩相同时，轴力越大，截面失稳的概率越小。在变化不大的情况下也可以理解为轴力对截面是有利的，弯矩是有害的。可以看出采用减隔震支座后，截面的安全性得到了明显的提升。这是由于减隔震的加入使得整个结构的基频发生了变化，地震作用下发生共振的概率减小，产生的地震响应减小。

同时可以看出，当主梁跨径由30 m 调整为40 m时，桥墩轴力和弯矩相应增加，但是调整前后减隔震支座的效果未发生明显变化。这也表明减隔震支座对结构的自重不敏感。因此在减隔震支座的设计时，可与普通支座一样，仅考虑承载能力，无需额外考虑其他因素。

从减隔震支座的受力模型可以看出，该种类型支座的减隔震效果主要受两个参数的影响，在主梁采用30 m 跨径不变的情况下，分别改变两个参数，然后分析结构在地震作用下的响应，如表3 所示。

表3 不同支座参数下结构响应

从表3 中可以看出，当改变减隔震支座刚度k1后，桥墩的轴力并未发生明显变化，1、3 号墩的弯矩响应未发生明显改善，但2 号墩的轴力增加，弯矩有较为明显的减小，这表明多跨结构的跨中处对参数k1更为敏感。改变减隔震支座刚度k2 后，1、3 号墩的轴力有所增加，弯矩有较为明显地减小，两个响应均朝有利方向改善，说明优化参数k2 可以改善边墩在地震作用下的影响。

4 结论

以一座两跨简支混凝土预制小箱梁为背景，介绍了减隔震支座与普通支座的力学模型，并分别将其运用在桥梁上，采用有限元方法分析了结构的地震响应，从分析结果中可以得出如下结论：

（1） 在相同条件下，采用减隔震支座的桥梁相比采用普通支座的桥梁，桥墩底部的弯矩和轴力均有不同程度的减小，但轴力变化不大，弯矩减小较为明显。

（2） 减隔震支座对不同跨径的桥梁作用效果相差不大，总体显示跨径更大的桥梁减隔震效果更明显。

（3） 减隔震支座的两个刚度对中墩和边墩有不同程度的减隔震效果，刚度K1 对中墩影响程度大于边墩，刚度K2 则相反。