桥梁橡胶支座对抗震性能的影响分析

闫 玲

(太原市政建设集团有限公司，山西 太原 030002)

在各种桥梁施工过程中，桥梁的抗震问题一直是桥梁施工的重点考虑问题。随着材料技术和工程技术的不断发展，橡胶支座被广泛用于桥梁的抗震设计。本文结合桥梁橡胶支座性能，分析橡胶支座对桥梁抗震性能的影响，重点以铅销橡胶支座为例分析了支座对减震率的影响。

1 桥梁橡胶支座构造

在现代桥梁建设过程汇总分析，典型的桥梁抗震装置包括两类：柔性支承装置和阻尼装置，其中又以柔性支承装置应用最为广泛，性能较优。在众多桥梁支座种类中，橡胶支座因其实用性好、抗震性强而被广泛应用于世界各种抗震需求大的桥梁建设中。通常情况下，橡胶支座是由薄钢板和薄橡胶板经过高温硫化处理后交替结合粘结在一起形成的。桥梁橡胶支座中的橡胶通常采用天然橡胶和氯丁胶。天然橡胶和氯丁胶各自拥有不同的优点与缺点。天然橡胶的抗冻性和弹性都优于氯丁胶；而氯丁胶的其他性能，例如耐油性、抗老化性、抗腐蚀性等均优于天然橡胶。

在桥梁橡胶支座的支座过程中，由于橡胶层之间被加入了钢板薄层，并且经过高温硫化粘结处理后，橡胶层和钢板层之间的粘结十分紧密。因此，当桥梁橡胶支座无论受到桥梁上方的垂直载荷，还是桥梁下方的垂直载荷时，都能够很好地约束桥梁的横向变形，即橡胶支座使桥梁具有很强的抗垂直载荷能力，也就是说桥梁橡胶支座具有很好抗震性能。

现阶段，能够用于桥梁建设的橡胶支座种类繁多，桥梁设计单位和桥梁建设单位必须要对桥梁的建设环境以及使用环境进行具体的考察，然后才能科学合理地选择桥梁橡胶支座种类。在桥梁橡胶支座选择过程中，需要考虑的因素包括桥梁强度、桥梁的横向坡度、桥梁纵向坡度、桥梁设计载荷、气候，重点是要考虑桥梁的地震条件和结构形式，在综合考量这些因素之后，才能合理地选择桥梁橡胶支座种类，进而设计出科学准确的橡胶支座参数。

在选择合适的桥梁橡胶支座类型之后，还需要对桥梁橡胶支座的参数进行准确计算。具体可以按照如下步骤进行：首先，在设计桥梁橡胶支座时，必须要计算出桥梁支座的反力、位移和转角，此外，还应该准确计算桥梁的纵向水平力和横向水平力。其次，将所有计算出的桥梁受力参数，反力、位移、转角纵向水平力和横向水平力在最不利的条件下进行组合。最后，基于各个桥梁参数最不利条件下的组合，推算桥梁橡胶支座的参数。此外，在桥梁橡胶支座的设计过程中，还需要考察桥梁的振动周期和振动频率。这是因为桥梁的振动周期与振动频率会直接影响桥梁橡胶支座的类型、材料性质、截面尺寸、支座布置和数量等因素。

2 桥梁橡胶支座的力学性能分析

铅销橡胶支座是一种桥梁建设过程中应用十分广泛的橡胶支座。铅销橡胶支座由层状橡胶、钢板以及铅销组成。其中层状橡胶是用来支承桥梁载荷的，铅销的主要作用是吸收桥梁由于外部载荷而产生的多余能量。铅销是抗震的主体部件，其抗震过程如下：首先，当桥梁的水平力较小时，由于橡胶支座具有相对较强的初始刚度，橡胶支座的变形很小；然后，当发生地震时，一方面铅销屈服能够抵消一部分地震力，另一方面橡胶支座刚度的降低也可以抵消掉很大一部分地震力。此外，实验表明橡胶支座不但可以起到抗震的作用，还能够有效延长桥梁的结构和使用寿命。因此，铅销橡胶支座能够满足抗震需求，是一个性能优良的桥梁抗震装置。

橡胶支座已经大量应用于现代桥梁建设过程中，并且起到了良好的抗震作用。经过大量实际工程经验和试验测试表明，在铅销橡胶支座中设计滞回曲线可以近似为双线性曲线，具有屈服后刚度小于初始刚度的优良性能，能够十分稳定地吸收外部能量。并且，随着桥梁铅销橡胶支座的进一步增加，橡胶支座的滞回面积也逐步加大，也就是说铅销支座在抵消地震产生的变形力的同时，其消耗于支座的变形功大于正常卸载支座所承受的变形力。这是因为，在桥梁橡胶支座抵消地震能量时，一部分变形功已经被桥梁铅销橡胶支座吸收了。下面分别分析桥梁铅销橡胶支座在承受外部能量时的静力特性和动力特性。

2.1 铅销橡胶支座的静力特性

世界上的绝大部分桥梁都是露天建筑物，需要在露天环境中工作。因此，桥梁铅销橡胶在选材和功能设计中必须要充分考虑到桥梁能够长期使用，保持桥梁的稳定性和使用寿命。所以，桥下铅销橡胶支座必须要具备下列静力特性:

1)竖向承载能力。

在发生地震等不可抗拒的自然灾害时，桥梁铅销橡胶支座一定要能够应对较大的应变力，以便于充分发挥支座的减震作用。而竖向承载力是桥梁铅销橡胶支座能够抗震的关键。基于相关桥梁建设标准，普通的桥梁铅销橡胶支座应该按照相应竖向承载力的要求或者更安全的标准选取桥梁铅销橡胶支座材料和设计功能。

2)平时水平荷载抵抗能力。

由于地震等自然灾害具有很强的随机性和不可预测性，因此在设计桥梁铅销橡胶支座时，要充分考虑到支座的屈服载荷，保证桥梁铅销橡胶支座的屈服载荷大于平时桥梁上部结构承受的风力和制动力的水平力之和。而在发生地震等自然灾害时，又要保证桥梁铅销橡胶支座产生较大的变位，以抵消高强度外部能量。

3)徐变压缩量。

在桥梁上部结构持久载荷力以及桥梁上部通行交通工具等外部载荷力的作用下，桥梁铅销橡胶支座会发生轻微变形而造成桥梁路面不平整。因此，在桥梁铅销橡胶支座的减震设计中，还应该充分考虑桥梁铅销橡胶支座在载荷作用下的徐变压缩量。通常，要保证铅销橡胶支座的徐变压缩量控制在橡胶厚度的5%以内。

2.2 铅销橡胶支座的动力特性

桥梁铅销橡胶支座在地震发生时，会受到地震力的来回往复作用。因此，桥梁铅销橡胶支座必须要具备以下动力特性：

1)合适的刚度和阻尼。

一般情况下，要求桥梁铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数必须在一定范围内。经过大量试验与工程实践表明，铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数实际值域设计值之间的偏差量必须要控制在4%～10%之间。严格控制铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数是因为这两个参数直接影响了桥梁铅销橡胶支座的减震性能。如果桥梁铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数符合要求，当发生地震时，桥梁的上部加速度、变位等变化就不会影响到桥梁整体结构，能够保持桥梁的稳定性；反之，一旦桥梁铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数超出设计值范围10%以上，就会导致地震发生时，桥梁减震作用不足，影响桥梁整个结构稳定性。

2)承受地震作用的能力。

相关规定中已经明确指出，桥梁铅销橡胶支座必须能够承受住50次连续的正负反复荷载作用与剪切变位。因此，在设计桥梁铅销橡胶支座，要充分论证支座的抗正负反复荷载作用与剪切变位，力求在高强度的载荷作用与剪切变位作用下，支座不发生损坏，不影响桥梁整体结构稳定性。

3 桥梁橡胶支座对抗震性能的影响

目前，我国的桥梁建设中普遍采用梁氏结构，桥梁的支座也大量应用橡胶支座。因此，本节将桥梁铅销橡胶支座的减震率定义为采用铅销橡胶支座与普通的橡胶支座之间的对地震能量减缓的比率，具体包括结构地震对控制参数的影响，有桥墩的墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩。所以，桥梁铅销橡胶支座的减震率可以定义为式(1)：

η=(SLRB-SRB)/SRB

(1)

其中，η为桥梁铅销橡胶支座的减震率，用百分比形式表示；SLRB为应用桥梁铅销橡胶支座的私地震反应；SRB为未应用桥梁铅销橡胶支座的地震反应。已有研究成果表明，如果桥梁设计的基准期是50年内能够抵御的地震烈度是63.2%以上时，即通常所说的L1等级地震作用下，桥梁铅销橡胶支座的减震效果并不是十分明显；但是如果在桥梁设计的基准期是50年内能够抵御的地震烈度是2%以上时，即L2等级地震，适当的加大桥梁铅销橡胶支座的阻尼系数，能够有效降低地震作用。因此，文中将桥梁铅销橡胶支座的减震目标定位抵御L2等级地震。

前述分析表明，桥梁铅销橡胶支座的铅销面积是影响整个桥梁抗震性能的关键因素之一。接下来，以墩高9 m的三跨20 m连续梁桥为例，分析桥梁铅销橡胶支座的铅销面积与减震效果之间的具体关系。在分析过程中，桥梁铅销橡胶支座的铅销面积用铅销直径的形式表示。

1)桥台支座铅销面积对减震率的影响。

分析桥梁铅销橡胶支座自身机构以及支座与桥梁各个结构的关系可知，桥台的减震率存在随桥台支座铅销面积的增加先增大后减小的规律特性，而桥墩的减震率随桥台支座铅销面积的增大而增大。因此，桥梁铅销橡胶支座可以有效控制地震能量，确保整个桥梁结构不会受到严重损坏。

2)桥墩支座铅销面积对减震率的影响。

当地震发生时，随着桥墩支座铅销面积的增加而增大，而桥墩减震率随桥墩支座铅销面积的增加先增大后又减小。因此，如果要改变各个墩台的抗震频率，可以通过改变各个墩台的支座铅销面积实现。这说明，合理配置各个墩台的铅销面积能够调节整个桥梁的抗震性能，但是这种调节只能是在一定限度内进行。

4 结语

桥梁的抗震性是桥梁设计和桥梁施工过程中的重要方面。本文从提高桥梁抗震性角度出发，分析了橡胶支座对桥梁抗震性的影响，以期为提高桥梁支座抗震性提供一定的参考与借鉴。