浅析板式橡胶支座地震的易损性

石 铂

(太原市政建设集团有限公司，山西太原 030002)

在桥梁建筑中上下部分的结构依靠板式橡胶支座连接，是防止建筑水平变形、承受上部结构的主要构件，是桥梁建筑的重要组成部分。因板式橡胶支座的成本不高、结构简单，能够将受力合理分散的优点，在桥梁建筑中具有非常大的使用价值，尤其在地震带的桥梁构建中，可以有效的减少桥墩对受地震影响而产生震动的吸收，因此在桥梁避震设计方面也有着广泛的应用。

近几年在地震地区的桥梁调查研究表明，支座结构是地震中受力变形的主要部位，将直接导致墩台之间的错位和支座受到损坏。基于此类情况，本文通过分析桥梁工程的施工过程，分析了橡胶支座在受力变形和墩台之间的应力关系，从易损性的角度来探讨了橡胶支座的抗震能力，以期为同行提供些许经验。

1 板式橡胶支座的应力特征

1.1 板式橡胶支座的的受力计算

板式橡胶支座是现今桥梁建筑行业内广泛使用的制作，其具有安装便捷、结构简单等特点。其中GYZ的圆形板式橡胶支座，是使用橡胶和钢板多层粘合、固化而形成的。在机械平面上具有优异的各向同行，尤其适合小跨径的桥梁建筑工程;对于地震的抗震性，能够有效的减少了震动对桥台和桥墩的震动冲击;剪切变形也是能够满足桥梁各个结构的相对位移，为上下构件之间提供良好的剪切变形［3］。

板式橡胶支座因其内部有钢板能够限制橡胶的横向变形，所以支座的纵向刚度有了很大的提升，同时对于橡胶层的剪切变形刚度并不影响，在不考虑板式橡胶支座与墩梁之间的摩擦滑动时。按照《公路桥梁抗震设计细则》，剪力位移的受力可近似使用下列公式表达［5］:

其中，F为支座的剪切力;x为相对位移;K为剪切刚度。

1.2 橡胶支座损伤指标

橡胶支座因其层叠的结构，具有很好的韧性和柔软度，能够有效的保证桥梁构建的使用寿命，但超过一定范围的剪力依旧会导致支座被损坏，支座能够承受的剪力变形，应根据墩梁的相对位移数，与橡胶支座的累加层数之比，来确定最大的剪切变应。而橡胶支座的厚度，需根据我国的抗震规范［5］来确定不同震级下的厚度。根据国标建筑抗震设计规定，在不同的震级作用下，建筑应有不同的抗震性能。

其中，XE为支座在不同效应条件组合情况下的相对位移;tanλ为橡胶的剪切角的正切值，取值1。故在极端情况下，支座的最大相对位移与剪切变应，要与100%时支座相对位移之比相等。

2 支座易损曲线的推算

2.1 地震波模拟

在使用数理统计进行概率分析时，地震的三个重要相关参数为:峰值加速度、持续时间、频谱特征，是保证分析过程准确的重要前提条件［1］。本文采用国家地震局发布的数据信息中，根据我国地震高发地区，选取100条分布尽量分散的地震波进行分析。

2.2 计算模型选择

采用非线性分析法及SAP2000作为分析软件，对桥梁及结构进行分析。在既往资料分析中可以发现，在实际地震中主梁基本能够保持结构和功能的完好不被破坏，因此本文分析是采用弹性梁模拟进行［7］。

3 板式橡胶支座易损的探讨

3.1 易损原理分析

建筑结构在地震中的易损性可以理解为，在受到地震影响时其结构发生损坏的发生概率，可以使用如下公式表达:

其中，IM为地震动参数(等于地震波的PGA与地震谱加速度SA的比值，即为PGA/SA);C为结构或者是构件的能力(Capacity);DI为结构或是构件的损伤计量，对应结构或构件需求(Damage Index，Demand)。桥梁建筑在施工的过程中，常常使用易损曲线来测算结构的抗震易损性。

3.2 易损原因分析

通过实际公式运算:

其中，Umax为外力震动下的容许最大相对位移;γα为容许的剪切应变，根据不同的内力组合形式选取相应的数值，正常情况下取值为70%，大地震时候取值250%，中小地震取值150%;∑t为橡胶支座的总厚度。在地震波加速度超过0.2g的时候，桥墩和支座的受损伤概率，与地震波的加速度SA呈现正相关的关系，随着地震波速度的加快受损概率也随之加大［6］。当支座比桥墩低小的时候，相对位移延性能力也较小;同时桥墩较柔软的时候，在地震作用下柔性墩能够吸收部分震动的能力，使得支座相抵位移减小，但完全刚性的桥台，会直接导致相对位移的增大。因此，在不同强度的震动时，板式橡胶支座相较于桥墩的构件，受到损坏的概率更大。

4 我国现阶段支座存在的问题分析

现阶段，我国国内的桥梁支架技术发展已经趋于成熟，但依旧存在着诸多问题，详列如下:

1)支座与上下构件的位置放置存在偏差，这一方面的问题包括了横向与纵向位置放置颠倒、横桥与顺桥的位置不能够相互完整对应，由此产生支架和墩台之间的位置错位而造成支架的损坏。2)钢板未能进行防腐处理而造成损坏:桥梁支架的底座一般使用钢板来维持固定，但钢板暴露在空气中时，容易受到雨水或是河水的腐蚀，没有进行防腐处理的钢板腐蚀速度尤其迅速。3)支座在施工的过程中，没有严格控制垫石的标高，由此对于桥梁的负荷会有不同的影响，对于桥梁的使用年限及安全性都存在着不同程度的隐患［4］。其中主要包括有砂浆浇筑技术是否合格，是否能够杜绝内部脱空、支座与上下构件之间的垫板和垫石的尺寸是否符合实际应用的情况，以及支座是否受力不够均匀，甚至存在施工完成后可移动的情况。4)不同设计原理的桥梁，在选择支架的时候要有所不同，应充分的考虑到桥梁的载重设计，严格按照设计图纸上的设计施工，改用其他型号的支座时，要对整体桥梁的工程进行重新的评估。

5 橡胶支座易损优化策略

首先，在支座安装施工前进行全体人员的培训，要依照相关施工流程，做好施工的图纸核对、施工方案的选定，减少不必要的流程，以便将误差控制在可控的范围内。对于技术工种的管理，应做到按规章流程进行施工，不可仰仗“经验主义”，对于每一个施工环节都要做好认真和负责。科学的管理各个工种和岗位的人员安排。对于存在异议的施工技术，不应停留在讨论上，更应落实到实际的测算和设计中，现场施工的操作人员更需要对每一个环节必须掌握，监理方严格按照标准履行自身的责任，没有验收通过前不能够进入下一施工环节。

其次，对于图纸的前期设计工作，要求设计人员严格按照国家和行业相关的法律法规进行设计，选用标号合适的钢筋等原材料，对于建筑的抗震性和支架结构进行精准的测算。在设计开始阶段，就要留存好与本次设计所有有关的文件、图纸和法律法规文件，并进行编号统一管理。

最后，在检查复核阶段要对桥梁支架以及整体的情况进行检查，核对是否按照设计图纸进行了施工，是否没有按照施工技术标准放置之间和相关构件。若是发现有不合格的支架，或是支架已经产生剪切变形、尺寸不符合实际的需求情况，要及时的更换以及加固。对于支架底部固定的钢板，在不符合要求的时候也要进行更换，同时要对暴露的部分进行防锈的处理。

在以上方法不能够达到预计的施工效果时，可以采用聚四氟乙烯滑板支架。在保证设计安全的前提下，对于能够适度增加桥台支架高度的设计，可以考虑使用聚四氟乙烯滑板支架，以便对应更大的相对位移，以保证支架的使用寿命和建筑构件之间的连接完整。通过对比普通桥台支架和滑板支架之间易损性分析，聚四氟乙烯滑板支架的损伤概率有明显的改善［8］。

值得特别注意的是，在地震波加速范围在0.3～0.35之间时，桥台支座会引起自身的环形结构受到有效的约束，仅造成一般程度的损坏，在桥台支架没有足够的高度，是其受到损坏的重要因素。在保持相同的前提条件下，将桥台支座的高度设计为桥墩支座的1倍～1.2倍时，通过复检能够明显的改善桥台支架的位移应变能力，提高支座对于地震的抗震性［6］。

6 结语

通过非线性的建模，以及概率分析法的分析，板式橡胶支座的受力得出以下结论:1)板式橡胶支架相较于桥墩更容易受到地震的影响，损坏的概率也随之变大，在桥梁设计中特别是地震多发地区的设计，要引起相关的重视。2)桥台支架在地震的作用下，相对位移较大对于桥梁建筑的安全性和使用年限都较大影响。提高支座的的高度或是改用聚四氟乙烯滑板支座，都是可以在一定程度改善抗震性，降低支座在地震的损坏概率。

本文分析了桥梁支座在施工过程中存在的一些问题，同时也提出相关的解决策略，支座的合理选择严格施工，对于桥梁建筑的安全以及社会影响都有着重要而深远的现实意义，对于小跨度的桥梁支座的安装和维护也具有一定的参考价值和实际的借鉴意义。严格的施工、精准的设计、全面的后续养护，才能够为桥梁建筑保证质量，现书写成文以供同行借鉴使用。