板式橡胶支座滑动的地震响应分析

张 彬，刘 欣，李 洋

（辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新123000）

板式橡胶支座滑动的地震响应分析

张 彬，刘 欣，李 洋

（辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新123000）

支座是桥梁中的支承部分，是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件，板式橡胶支座常直接放置于墩顶，水平力传递完全靠接触面间的摩擦力作用，在地震作用下可能会发生滑动。通过建立单墩计算模型，对板式橡胶支座滑动的动力性能进行分析。为了克服由于板式橡胶支座滑动引起的梁体移位震害的不足，以一连续梁桥为研究背景，利用Midas软件进行了非线性时程反应分析，探讨目前板式橡胶支座桥梁所存在的问题，提出将梁桥中对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。结果表明：该方法能够有效地控制支座以及其上梁体的地震位移，减少落梁震害的发生。

振动与波；梁桥；板式橡胶支座；时程分析；位移控制

支座是桥梁上部结构与下部结构之间设置的传力装置。1989年美国洛马·普里埃塔（Loma Prieta）地震[1]、1994年美国北岭（Northridge）地震[2]中支座破坏和桥墩开裂或偏位是铁路公路桥梁的主要破坏形式。在2008年汶川地震中，中小型桥梁的震害主要集中在支座滑动后引起的落梁、梁体移位、伸缩缝处相邻梁体碰撞等方面，而墩柱和基础的损伤较轻[3—7]。可见，在地震作用下，桥梁支座的震害较为普遍，是研究桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节。板式橡胶支座因为结构简单，造价较低，安装使用比较方便等特点，所以目前在中小型桥梁中得以广泛应用。我国铁路桥梁第一次使用板式橡胶支座是在1969年建造的安徽固镇大桥边跨的一孔12 m预应力混凝土先张梁上。

板式橡胶支座安置的位置一般在墩台顶的垫石与梁体之间，支座、墩台与梁体间没有设置锚固、焊接等连接措施，完全靠橡胶表面的摩擦力固定。因此，在突遇地震时，橡胶支座与墩顶及梁底接触面之间可能会产生相对滑动。显然，板式橡胶支座的柔性可以提供一定的缓冲能力，起到抗震的作用。但支座滑动后，全桥在顺桥向缺少足够的恢复力，使得梁体处于一种随遇平衡状态[8]，导致梁体不稳甚至造成落梁。因此，对使用板式橡胶支座的桥梁进行抗震性能评估，并采用相应的改进措施是很关键的。

1 板式橡胶支座滑动的动力性能分析

在梁桥受到强震且其支座构造具有完备而符合力学图式所要求的固定或活动性能时，梁桥各墩振动特性表现为单墩独立性，因此采用单墩模型研究板式橡胶支座滑动的动力性能。

1.1 单墩模型建立

通常由于盖梁质量占的比例较大[9]，为了有比较地研究板式橡胶支座发生滑动时的动力特性，在建立单墩计算模型时需考虑两种模型：模型一：不考虑盖梁质量；模型二：考虑盖梁质量，如图1。其中盖梁质量用集中质量表示，为体现板式橡胶支座会发生滑动的性质，盖梁与支座之间用弹簧连接，为尽量减少落梁的发生，在盖梁处加设抗震挡。

1.2 单墩模型的参数分析

对单墩模型进行参数分析时，分别取墩高为3、6、9、12 m，摩擦系数取0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35，具体参数见表1。

大量梁桥震害表明：造成桥梁破坏的原因主要是由于地震使得桥梁产生沿桥轴线的纵向水平振动和横向水平振动，竖向振动造成桥梁破坏的现象并不多见[10]。因此，设定所加工况为地震波沿横向（x方向）+纵向（y方向）+0.5竖向（z方向）激励。

图1 单墩计算型

通过上述图像可得：随着接触面摩擦系数的增大，支座变形的最大值总体上呈现为下降趋势，并且当接触面摩擦系数足够大时，支座变形不再随摩擦系数的变化而变化，此时表示支座与接触面之间不发生相对滑动。且桥墩越高，变化的曲线越先呈现为水平线，即桥墩较高时，支座与接触面之间不易发生相对滑动。

2 基本计算条件

2.1 工程概况

分析对象为迁安市某5孔30 m的预应力混凝土梁桥，具体参数见表2，计算模型如图3。阻尼矩阵采用质量矩阵与刚度矩阵的线性组合[11，12]。

2.2 地震动输入

地震加速度的时程采用美国1994年1月17日记录的Northridge earthquake[13]地震加速度，其最大值为16.7 m/s2。其加速度值在前10 s时很大，10 s之后就变小了，所以可取前20 s用来计算其地震最大作用值。

图2 模型一、二在设定工况下响应量随摩擦系数和墩高变化的折线图

表1 单墩模型参数

表2 背景桥梁具体参数

图3 桥梁计算模型图

图4 Northridge earthquake时程波形

3 支座地震位移控制方法的构建

3.1 提出控制支座地震位移的方法

由板式橡胶支座滑动的动力性能分析可知，当板式橡胶支座桥梁的桥墩较矮时，支座与梁底墩顶的接触面之间容易发生相对滑动。整桥体系在支座滑动后缺乏恢复力机制，使得梁体地震位移较大，引入恢复力机制控制梁体地震位移的影响。大量试验表明[14]：板式橡胶支座的力-位移滞回曲线是狭长的，可以近似作线性处理，几乎没有耗能作用，因此在支座滑动后不能提供足够的恢复力。然而铅芯橡胶支座的动力试验表明：铅芯橡胶支座具有良好的滞回性能，中间铅芯的存在可以增加其初始剪切刚度。因此，结合板式橡胶支座与铅芯橡胶支座的抗震特性，提出对全部使用板式橡胶支座的桥梁进行改良，即在其他条件不变的情况下，提出采用将梁桥中对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。

3.2 支座计算模型

为了准确模拟出支座在地震作用中会产生滑动的特征，滑动支座单元采用具有水平双向和竖向3个自由度的模型。其中竖向受压为线弹性，水平方向恢复力的模型如图5(a)所示，其中，侧向力F为支

在进行非线性地震分析时，对于任一时刻，当F＜Fcr时，即在图5所示的圆面积内，支座不发生滑动；当F＞Fcr时，即在图5所示圆面积外，支座开始发生滑动；当F=Fcr时，支座处于临界滑动状态。座在某一时刻所受到的水平向的合力，侧向位移d为支座在某一时刻水平方向与侧向力F对应的支座水平位移，K1为支座滑动之前的刚度，K2为支座滑动之后的刚度，Fcr为滑动支座水平方向的滑动临界力，可按下式计算

式中N为支座承受的动载作用和恒载作用引起的竖向反力，f为支座接触面的滑动摩擦系数。采用图5(b)所示的滑动准则，判别支座是否进入了滑动状态。在地震作用下，如在某一时刻，支座受到的水平方向的地震力分别为Fx、Fy，则支座受到的水平方向地震合力为

图5 滑动支座单元分析

3.3 方法有效性分析

为了验证提出的地震位移控制方法的有效性，采用上述方法对连续梁桥算例进行非线性时程反应分析，即将支座3、5、6、8换成铅芯橡胶支座，其余支座仍使用板式橡胶支座。把全部使用板式橡胶支座的计算结果作为基数，改进后的支座组合的计算结果与之比较，以“+”、“-”号表示增减；桥面刚度为K=25 000 kN/m，按顺桥方向进行计算。

图6 地震作用下各支座位移变化折线图

由上述计算结果可知：使用铅芯橡胶支座后，支座变形最大值虽有所增加，但是，桥墩处的剪力和弯矩却降低了。由于支座发生滑动后，全桥在顺桥向缺少足够的恢复力，使得梁体不稳甚至造成落梁。因此引入恢复力机制，研究全部使用板式橡胶支座桥梁与使用支座组合桥梁两种情况下，支座最大位移及支座残余位移。结果表明：使用本文方法后，支座残余位移大大减少，恢复力的引入使得原桥梁体系随遇平衡状态得以改善，地震中梁体能在平衡位置附近多次往复，支座及其上梁体残余位移大为减少。

表3 地震作用下桥基处剪力弯矩汇总表

4 结语

(1)随着接触面摩擦系数的增大，板式橡胶支座变形的最大值总体上呈现为下降趋势，并且当摩擦系数足够大时，支座变形不再随摩擦系数的变化而变化，此时表示支座与接触面之间不发生相对滑动。且桥墩越高，变化的曲线越先呈现为水平线，即桥墩较高时，支座与接触面之间不易发生相对滑动；

(2)同等条件下，使用铅芯橡胶支座后，支座变形最大值虽有所增加，但是，桥墩处的剪力和弯矩却降低了。桥梁结构使用铅芯橡胶支座隔震后，地震对桥墩的作用减少很多，从而起到了很好的隔震效果；

(3)提出在板式橡胶支座桥梁中，对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座，其余各处仍设置板式橡胶支座的方法进行地震位移控制。当桥梁遭遇地震作用使得铅芯屈服，其余的板式橡胶支座发生滑动时，铅芯橡胶支座能够提供接近于普通分层橡胶支座的剪切刚度，提供一定的恢复力帮助支座上的梁体回到平衡位置，因此该方法能有效地控制支座以及其上梁体的地震位移。

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SeismicResponseAnalysisofLaminatedRubberBearing’sSliding

ZHANGBin,LIUXin,LIYang

(Institute of Civil and Transportation,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,Liaoning China)

∶Support is an important component of bridge.The rubber support is usually placed on the top of the pier directly and the shear force is transmitted to it from the superstructure due to the friction.In the earthquake condition,sliding may occur in the interface between the support and the pier.The model of a single pier and a laminated rubber support is established and the dynamic characteristic of the laminated rubber support in the sliding is analyzed.Taking a continuousbeam bridge as the object,the Midas code is used to conduct the seismic response analysis of the bridge structure based on nonlinear time-history method.The possible defects of the laminated rubber support are discussed.A new method for controlling girder’s seismic displacement is proposed,in which the laminated rubber supports on symmetrical piers in the continuous-beam bridge are replaced by lead-rubber supports.The results show that the new method is effective in controlling the support and girder’s seismic displacement and avoiding the girder’s falling disaster.

∶vibration and wave;girder bridge;laminated rubber bearing;time history response analysis; displacement control

∶U442.5+5< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.029

1006-1355(2014)06-0131-04

2014-02-18

国家安监总局项目（0505079）；

辽宁省教育厅项目（1.2011048）

张彬（1960-），男，辽宁省丹东市人，博士，现为辽宁工程技术大学教授、博士生导师，主要从事桥梁与隧道工程学科的教学与科研工作。

刘欣（1989-），女，辽宁省沈阳市人。

E-mail∶feizhuliu0529@126.com