不同支承体系的桥梁结构在地震作用下的响应分析

孙梗梗 张 舜

1宁夏拱业建设工程有限公司（750004） 2 宁夏大学土木与水利工程学院（750021）

1 板式橡胶支座体系与铅芯减震隔震橡胶支座体系

一般的梁式桥梁结构由三个部分构成，即上部结构、下部结构及支座。 常见支座又可分为板式橡胶支座与减震隔震支座。常见的普通支座以普通板式橡胶支座为代表，常见的减震隔震支座以铅芯减震隔震橡胶支座、盆式支座等为代表[1]。

1.1 板式橡胶支座

在我国大部分梁桥体系中，板式橡胶支座体系最为常见。 一联两端设置聚四氟乙烯滑板支座，一联除联端其余位置或简支体系梁端均设置普通板式橡胶支座。聚四氟乙烯滑板支座的设置部位使得梁结构在温度等作用下产生位移，避免结构成为超静定体系，进而消耗能量避免结构破坏。 普通板式橡胶支座在纵桥与横桥向对梁体有一定的约束力，且该结构体系仅在线弹性阶段正常工作。若达到非线性阶段则意味该体系已被破坏，而结构不能产生足够的变形则无法吸收外部激励所叠加的荷载。

1.2 铅芯减震隔震橡胶支座

铅芯减震隔震橡胶支座常用于桥梁体系，在跨径较为适中的体系最为常见。减震隔震支座工作原理多种多样，但工作目的基本相同。 该类型支座在普通板式橡胶支座基础上进行改进，以达到减震隔震作用。在普通板式橡胶支座内部加入一根或多根高纯度的铅芯，当外部激励作用时，内部铅芯发生剪切变形以达到耗能目的，使得上下部结构均处于弹性阶段，以保护上下部结构免受伤害[2]。

2 不同支承体系动力响应分析

2.1 桥梁支撑体系的更换

现以西北地区一国道桥梁（如图1 所示）为例进行分析。该桥上部结构3 m×20 m×2 m。 主梁为预应力空心板，下部结构为框架墩，该结构体系原采用直径为250 mm 圆形板式橡胶支座， 单个支座竖向承载极限为452 kN，每跨共20 片预应力空心板，单跨所需竖向承载力为36 160 kN。 现保持原桥上部结构及下部结构不变，将原有板式橡胶支座模拟方式更改为铅芯隔震橡胶支座。 更改为40 个铅芯隔震橡胶支座，其型号为Y4Q520×133G1.0，支座直径为420 mm，竖向承载极限为1 000 kN，初始刚度为6.4 kN/mm， 屈服极限为61 kN， 屈服刚度为1.0 kN/mm。

图1 实例桥梁构造图

2.2 结构体系动力特性分析

对更改支座后的有限元模型进行动力特性分析。 结构体系周期缩短，频率增加，进而可以得知结构刚度有所增大。 由于原有结构采用普通板式橡胶支座，一联竖向承载力为108 480 kN，在静力的作用下每联整体纵向与横向刚度均为351 840 kN/m。每联结构体系铅芯隔震橡胶支座竖向承载极限为120 000 kN， 在静力作用下其纵向与横向刚度为768 000 kN/m。 经过有限元软件分析，得到原结构体系前三阶频率分别为1.95 Hz、2.06 Hz、2.10 Hz。更改支座后结构前三阶频率分别为2.50 Hz、2.76 Hz、2.77 Hz。

由上可得更换支座后，原有结构在水平向刚度小于更改后体系，有限元模型与实际规律符合。 但所更换铅芯减震隔震橡胶支座型号为现有规范最小型号，依旧与原结构体系刚度有所差距[3]。 但通过下部结构内力分析及支座处位移才可看出二者差异。

3 不同支承体系地震响应特性

本桥为B 类桥梁，抗震重要性系数根据规范设定为1.7。桥址所在地为设防8 度，场地类别为Ⅱ类，加速度峰值为0.2 g，即本桥有限元模型时程函数峰值应为0.34 g。 记录计算后各个桥墩墩顶、墩底、桩基内力最大处的内力值及各个支座处的位移大小。

3.1 下部结构各关键节点内力

通过有限元计算得到两个模型计算结果较为接近， 其下部结构轴力值均在2 800～3 100 kN，剪力值在550～650 kN，墩顶弯矩在1300 kN·m 左右。各个关键节点内力均通过截面验算，达到安全要求。

现比对不同支承条件下的桥墩墩顶、 墩底、桩基处轴力、剪力、弯矩的比值（如图2 所示）。

图2 15#墩不同支承内力比值

图2 为普通板式橡胶支座各关键节点与铅芯减震隔震橡胶支座对应节点内力比值。 很明显，二者轴力比值差异可忽略不计，而剪力与弯矩稍有差异。

3.2 支座处各节点位移

不同支承体系的桥梁结构在地震作用下，各个截面处节点位移见表1。

表1 不同支承体系支座处位移

由表1 可知，在相同的外部激励作用下，普通板式橡胶支座产生的位移大于铅芯减震隔震支座，普通板式橡胶支座产生最大位移为2.2 cm，而铅芯减震隔震支座最大位移仅为1.1 cm。

4 不同支承条件下结构响应分析

4.1 内力分析

在水平地震作用下，下部结构的轴力主要体现在自重方向，故而受外部激励较小。

铅芯减震隔震支座体系下剪力大于另一体系。在两种支座承载力接近的情况下，铅芯减震隔震支座水平向刚度大于普通板式橡胶支座，故而在剪力传递过程中，减震隔震支座耗能较小，剪力稍大。

减震隔震体系中，下部结构弯矩稍小。 在截面验算中，由PM 曲线可知，受压情况下，轴力大小一定，弯矩越小越安全。

4.2 位移分析

在相同外部激励作用下，下部结构截面均通过截面验算，且数值较为相近，但支座处位移差异较大，其中普通板式橡胶支座位移较大，铅芯减震隔震橡胶支座位移较小。 外部激励能量相同，下部结构体系内力差异可忽略不计，则支座处的能量差异较小。 通过有限元计算与支座工作原理可知，减震隔震支座通过变形消耗能量， 使得支座处位移较小，而普通板式橡胶支座无法通过耗能而减小位移。

5 结语

相同结构采用不同支承体系在外部激励作用下会产生不同的情况。 减震隔震支座可以有效消耗外部传递能量， 以避免结构体系发生较大位移，同时保护下部结构与上部结构。 以确保桥梁结构在地震作用下的安全性。