铅芯橡胶支座在连续梁桥中的抗震应用分析

(重庆交通大学 重庆 400074)

引言

铅芯橡胶支座作为一种有效的减隔震装置[1-2]广泛应用于国内外的桥梁中，美国目前已经有114座隔震桥梁，大部分釆用铅芯橡胶隔震支座[3]，而在日本2000年全年度审查的隔震结构中,采用铅芯橡胶隔震支座的隔震结构数量占总数的50%以上,我国则占到90%以上，因此国内的铁道部科学研究院的吴彬，以及西南交大的王强等对铅芯橡胶支座力学性能，支座的破坏，以及连续桥梁地震反应分析开展了大量的研究工作。通过研究这些文献，对支座的破坏，铅芯支座的力学性能和应用进行简单的归纳综述。

一、在连续桥梁中支座震害破坏实例

桥梁支座是桥梁的薄弱部位，震害普遍。在1995年的日本坂神地震中，支座的破坏比例达到了调查总数的28%。在2010年，1月12日，海地发生里氏7.3级地震，桥梁支座的破坏不在少数。在2011年的东日本大地震中，大量减隔震建筑都经受了强烈地震的实际考验[5]。在2008年的汶川地震中，百花大桥等连续梁桥也出现了严重的支座震害，以致百花大桥垮塌。因此支座的选型和适当布置对连续梁桥的抗震有重要意义。支座震害主要是由锚固螺栓拔出后剪断造成的支座位移，活动支座脱落，和支座自身构造破坏引起的。

桥梁支座在地震中的破坏可以分为以下几个阶段[6]：正常使用阶段,把固定支座看成刚度固定的弹簧,活动支座看成摩擦系数固定的摩擦面。损伤发展阶段,把固定支座的破坏失效看作弹簧的刚度降低，活动支座则达到极限位移，出现脱空，卡死等现象，而上下锚固的支座发生剪切破坏。完全失效阶段，固定支座已成为了摩擦模型，状态复杂，支座残余构件与上下部结构的混凝土之间产生干摩擦，活动支座也产生同样的干摩擦,或因残部咬合形成固结状态。地震中支座的破坏主要是由于其力学性能不能满足抗震要求而造成的。刚度不够，则无法承受过大的荷载，而造成自身构造的破坏。阻尼性能差，则当支座刚度降低，产生过大位移时，无法控制其位移的限值，从而使支座脱落，在锚固处发生剪切破坏。因此选取抗震支座时，需考虑其力学性能。

二、铅芯橡胶支座的力学性能

铅芯橡胶支座的力学性能主要由其本身的材料及尺寸所决定[7]，根据庄军生[8]采用等效线性化模型参数的试验和吴彬[9]采用非线性动态分析力学参数的试验研究表明铅芯橡胶支座的等效刚度，等效阻尼比，初始刚度，屈服后刚度，特征强度在往复加载，卸载循环过程中具有良好的稳定性。

实验表明支座的水平耗能特性随剪应变增大而增大，有着良好的地震耗能性。等效刚度，随剪应变的增大而减小，延长了地震周期，以此来减小地震反应的能量(上部结构的加速度反应，层间剪力等)，减小了支座破坏的可能性，但同时增大了上部结构的位移。合适的等效阻尼比则能够减小动位移，将上部结构的位移控制在允许范围之内，使支座不会产生过大的滑动位移。刚度，提供给桥梁正常使用时的必要刚度，同时使桥梁的桥墩各处拥有同样的初始刚度，使桥墩平均受力，共同抵抗地震作用。合适的屈服后刚度，可以使延性需求和累积滞回耗能在结构中的分布更为均匀,避免出现局部损伤集中和形成局部破坏机制,且震后具有较小的残余变形,有利于震后结构修复。支座的特征强度则提供良好的竖向承载力。

由于铅芯橡胶支座具有稳定性能好，水平耗能大，刚度和阻尼比合适等优点，铅芯橡胶支座的滞回曲线饱满，整个结构塑性变形能力强，有良好的滞回耗能能力，即有良好的抗震性能。

三、铅芯橡胶支座在连续梁中的抗震效果

根据钟铁毅等[10]对铅芯橡胶支座隔震连续梁桥的地震能量的分析和吴斌[11]对在桥梁工程中减、隔震应用的研究，表明地震中连续梁桥所受到的地震能量主要由滞回耗能和阻尼耗能承担，且滞回耗能承担了4/5的能量，铅芯橡胶支座通过自身的不可恢复的变形，消耗了大部分地震能量，但结构中其它构件仍处于弹性工作状态，因此减少了结构的非弹性变形,达到了保护主体结构的目的。

铅芯橡胶支座的滞回耗能在地震中的具体表现，可以根据王强[12]对大跨长联连续梁桥地震反应和聂肃非[13]的研究得出，在加入铅芯橡胶支座之后,墩的内力量虽然比采用普通橡胶支座时大，但相差很小(约5%-10%)，梁位移却比采用普通橡胶支座时减少70%-80%以上。其支座剪力以及墩底的剪力和弯矩均明显减小,说明支座能有效地减少桥梁结构的横向墩底剪力和墩底弯矩峰值,即有效的吸收了地震能量，减小了结构的非弹性变形。由此可见,铅芯橡胶支座比普通橡胶支座更加适合应用于桥梁隔震。

四、结束语

铅芯橡胶支座的力学性能由其本身材料和尺寸决定,其拥有良好的力学性能。铅芯橡胶支座通过延长桥梁的结构周期，来吸收能量，以此降低地震力。其耗能能力阻尼则减小动位移，使得位移在设计允许的范围内，其刚度和屈服则是其在水平力下不屈服变形和发生破坏。总的来说，铅芯橡胶支座耐久性好，抗低周期疲劳性能良好，具有足够的安全储备，适用于各种类型桥梁的抗震，通过对其在连续梁桥中的抗震应用，可知铅芯橡胶支座能有效的消耗地震能量，有明显的减震效果，能大幅度的减小了上部的位移，墩底的剪力和弯矩，避免了支座震害的发生，较普通支座有着明显的优势。