桥梁板式橡胶支座抗震力学性能研究

许雪艳

（山西旅游职业学院，山西 太原 030031）

0 引言

起源于上世纪50年代的板式橡胶支座，随着技术的进步和材料力学性能的进一步提高而得到了更加广泛的应用。板式橡胶支座良好的抗震性能使得其在减缓桥面振动，抗车辆制动和风动作用力方面性能十分突出。但随着一些极端自然灾害的影响，尤其是在强烈地震的作用下，桥梁软连接部位反而容易出现不同程度的损伤。经过研究发现，这种损伤的出现，突出表现在横向作用力方面。而纵观中外研究资料，对板式桥梁橡胶支座横向抗震性能的研究仍属于难点。本文以国内某次强震范围内桥梁橡胶支座破坏情况为例，以有限元数值模拟为计算方法，研究其抗震力学性能，以期对桥梁建设发展提供参考。

1 案例分析

1.1 桥梁参数

某高速公路桥为30m+30m两跨连续梁桥，桥面为双幅结构，总宽33.8m。主梁采用箱梁，梁高1.8m，单跨上部结构总质量900t，平均5个主梁，采用双柱式桥墩，直径1.6m，钢筋分布中箍筋为Φ14的R235钢筋，纵筋为Φ32的HRB335 钢筋。墩柱中心距9m，高度8m，盖梁高度1.7m，高度1.5m，长度15.5m，采用C40混凝土。

两端支墩与桥面梁之间均为板式橡胶支座。支座规格为GYZD600×130，支座与梁体支撑钢板接触，侧面为混凝土挡块。挡块构造为直角梯形结构，上平面35cm，下平面49cm，高度70cm。挡块内部构造为U 形Φ16 的HRB335 钢筋，深入盖梁65cm，水平箍筋7 根Φ12 的HRB335钢筋，并设置直钩。挡块构造截面图[1]见图1。

图1 挡块构造截面图

1.2 地震的发生及其影响

某次7.5级强烈地震发生后，距离震中位置85km的该桥梁发生了形变。经检查，桥墩和梁体结构无明显损伤，但相对位移变化较大，造成板式橡胶支座发生平移和倾斜，且混凝土挡块存在从裂纹到断脱等不同程度的严重损伤。为了深入研究地震作用下桥梁板式橡胶支座力学性能，不仅要了解桥梁损伤，还要对地震参数进行准确掌握，才能定量分析出两者之间的关系。

为了反应地震波动速度和能量，通过收集地震区域多个观测台数据记录（如表1所示）。对非线性能量成分分别选取了地震动峰值速度Vp，地震动峰值加速度Ap，通过Vp/Ap，得到峰值振动频率。一般而言，当Vp/Ap的值较大时，能够推测出其低频含量必然较高，这种地震往往反映出地震波持续时间较长，能够发生较长时间的地面震动。而Vp/Ap的值不大时，则地震波持续时间相对较短。为此，分析表1中数据可知，编号为1和3的Vp/Ap较大，反映出此次地震中含有较大低频脉冲，伴随较大峰值持续时间。

表1 某地震数据记录

2 抗震力学性能评价指标的建立

由于该次地震导致的桥梁受损主要以横向受力为主，在确认构建的有限元数值模型有效的情况下，重点对该桥梁板式橡胶支座横向受力的抗震力学性能进行计算，并建立评价指标。

2.1 板式橡胶支座损伤状态评价指标

板式橡胶支座直接支撑箱梁，由于板式橡胶支座在压缩状态下的损伤影响不能单纯以橡胶外观进行衡量，还应考虑梁体的位移变化。在建立评价指标时，应以实际情况进行测度。假定损伤最大情况是发生落梁，将其数值化，则是箱梁内缘与混凝土挡块外缘重合，此时必然发生落梁，以此划分出5个区间。分别为D0-D4，其中D4为落梁情况下的位移值。根据计算公式Dx=Μb/Kb[2]，其中梁体摩擦系数μ为恒定值0.2，Kb为板式橡胶支座剪切刚度，则分别可以得到D0-D4的数值。根据板式橡胶支座的相应参数，得到其损伤状态的评价指标。具体如下：Db≤D0，板式橡胶支座弹性变化范围内，损伤状态指标为无损伤；D0＜Db≤D1，板式橡胶支座与梁体发生滑动，但橡胶支座上平面与梁体底部仍充分接触，损伤状态指标判定为轻微损伤；D1＜Db≤D2，板式橡胶支座已无法与梁体全面接触，少量悬空，损伤状态指标判定为中等损伤；D2＜Db≤D3，板式橡胶支座已无法与梁体全面接触，超过1/2面积悬空，损伤状态指标判定为严重损伤；D3＜Db≤D4，板式橡胶支座已完全脱空，梁体紧靠边缘挡板，损伤状态指标判定为支座滑落；Db＞D4，梁体内缘线超出支座挡板外缘线，损伤状态指标判定为落梁。

2.2 混凝土挡块损伤状态评价指标

混凝土挡块的损伤变化可以通过外表查看，根据有关实验结果以及上文中对挡块数值模型简化计算，可以将挡块划分为5个损伤状态，并赋予其指标数值△d，5个损伤状态最严重为△5，最轻微为△1，按照级别划分分别为：△d≤△1，混凝土挡块内侧出现细微裂纹，但裂纹并未连续，可判定为无损伤；△1＜△d≤△2，混凝土挡块内侧裂纹连接为一条线，且内部钢筋出现弯曲，判定为轻微损伤；△2＜△d≤△3，混凝土挡块内侧裂纹为贯通性裂纹，且不断出现新的裂纹；△3＜△d≤△4，混凝土挡块内缘出现多条贯通性裂纹，且钢筋外漏变形，混凝土剥落；△d＞△4，混凝土挡块内钢筋断裂，混凝土移位甚至断脱[3]。

3 有限元数值模型的建立

3.1 模型建立的假定

采用OpenSees结构分析程序建立有限元数值模型。首先需要对多个限制条件进行假定，其中基础的约束应力采用固定数值，其他有关数值采用非线性数值模拟。包括，盖梁采用梁柱单元数据进行模拟，墩柱则采用纤维单元模拟，板式橡胶支座的滑动采用平滑动态单元模拟。橡胶支座的钢筋混凝土挡块采用自定义的非线性单元进行模拟。然后分别对各个数值单元进行模拟试验，找出其各模块受影响下的变化量。

3.2 墩柱模拟单元的选择

墩柱采用纤维单元模拟，且具有离散特性。其模拟数值需要考虑其截面相关信息，如几何尺寸、钢筋外保护层的厚度以及混凝土材料的构成关系。在混凝土材料的构成关系模拟中，需要考虑约束应力和混凝土内钢筋的排布关系，而不需要考虑混凝土拉应力。经过模型建立后，墩柱数值单元模拟，实际上就是混凝土构成关系图。

3.3 板式橡胶支座模拟单元的选择

板式橡胶支座建立平滑移动模拟单元。设定摩擦系数μ，考虑质量和摩擦面无变化，排除特殊情况，μ设定为恒定值0.2[4]。板式橡胶支座断裂的强度参数应为μ与反方向作用力的乘积，此时需要计算剪切刚度值，则根据《公路桥梁抗震设计细则》，经计算后得到板式橡胶支座受到水平剪切力的剪切刚度值。

3.4 支座挡块模拟单元的选择

挡块位于支座侧方，其目的是防止支座侧方滑移限位。因此，其数值单元模拟以水平剪切力为目标，其设定值分别为挡块强度、挡块位移、混凝土和钢筋受力4 个值[5]。为构建模型，对其参数进行简化，对于混凝土和钢筋受力及形变以压缩弹簧分别代替。

在模拟计算过程中，需要考虑安全因素，为此不能将挡块模拟至破坏情况，即压缩弹簧不能压缩至极限情况。通过输入弹簧压缩尺寸、受力测量数值，测出支座挡块各性能。在模拟过程中，需要选取挡块侧方不同高度点，最终得出各位置性能参数，详见表2。显然，通过表2可以看出，越靠近挡块上部，其强度值越小、移动值越大；越靠近根部，则强度值越大、移动值越小。该模型的构建，与实际强震过程中横向受力破坏情况表现相同，即上部发生断裂、下部出现轻微裂纹。

表2 支座挡块数值模型计算结果

4 有限元数值计算结果

在赋予了板式桥梁橡胶支座抗震力学性能的评价指标后，通过有限元数值模拟进行计算。将得到的橡胶支座损坏评价值Db；以及将混凝土挡块的损坏状况评价值△d。按照该桥梁实际梁体几何尺寸，对比出其损伤评价状态。

文章选取了本次地震真实测量数值进行输入，以本桥梁3个桥墩的损伤状态进行评价，得出表3。表3中详细反映了如下结果：从箱梁位移值Db来看，从0.013m至0.033m之间，均未超过箱梁中线，箱梁与板梁橡胶支座完全接触，其损伤程度均为轻微损伤。从混凝土挡块的损伤程度来看，其中，1#支座位置挡块形变△d为0.625m，形成挡块破坏损伤；2#支座位置挡块形变△d为0.097m，属于严重损伤。而其对应的箱梁位移值却均为轻微损伤。由此说明，在强烈地震下，挡块的变化相比箱梁横向变化更加灵敏，这也说明板式橡胶支座的挡块部分更易受到强震的损伤。

表3 某桥梁板式橡胶支座抗震力学计算结果

5 结束语

通过实际案例的观测，指出了桥梁板式橡胶支座的抗震力学性能主要是在产生横向形变情况下的混凝土挡块的屈服。为了研究横向形变与其混凝土、钢筋材料之间的关系，首先建立了板式橡胶支座抗震力学性能的评价指标，从箱梁位移和挡块损伤两方面各划分5种程度的评判指标；然后利用有限元数值计算软件，建立了有限元数值简化模型，在输入实际地震观测记录数值后，能够得到橡胶支座损伤形变数值；最后将某一地震后数据代入，得到相应的箱梁位移和挡块损坏数值，与现场实际损坏程度一致。分析结果一方面证明了这种计算方式符合板式桥梁橡胶支座抗震力学的研究，另一方面得出挡块相比于箱梁横向变化更加灵敏的结论。为此，要提高桥梁混凝土挡块的横向剪切力，使得板式橡胶支座抗震力学性能得到提高。