LNR天然橡膠支座在7度地震烈度區的應用

初 奇，宮玉明，施菁華

（中交第一公路勘察設計研究院，陜西 西安 710068）

0 引言

隨著交通運輸部《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02—01—2008）（以下簡稱“《細則》”）的發布，橋梁抗震設計進入了一個新的階段。隨著實踐的深入，目前公路行業內對7度地震烈度區采用的橋梁支座類型還有不同的看法：一類認為應采用普通板支+縱橫向擋塊；另一類認為應采用減隔震支座。本文結合具體項目，進行對比分析，研究LNR天然橡膠支座在7度地震烈度區的適用性。

陜西定漢線坪坎至漢中高速公路采用雙向六車道高速公路標準，設計速度80km/h，路基寬度32m，設計荷載采用公路—Ⅰ級。

本項目橋梁上部結構主要采用裝配式預應力混凝土連續箱梁，下部結構采用柱式墩臺或肋式橋臺，基礎采用鉆孔灌注樁。根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02—01—2008)（以下簡稱“《細則》”）第3.1條，本項目橋梁抗震設防類別為B類，必須進行E1地震（50年超越概率40%）作用和E2地震（50年超越概率2.5%）作用下的抗震設計。

1 結構抗震耗能體系和抗震分析方法

1.1 橋梁結構抗震耗能體系

對B類橋梁，可采用的抗震體系有兩種類型。類型Ⅰ：地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩的頂、底部的塑性鉸區域；類型Ⅱ：地震作用下，橋梁的耗能部位位于橋梁的上、下部連接構件（支座、耗能裝置）。對于上部采用裝配式箱梁，下部采用柱式橋墩的梁橋，結構抗震具備兩種抗震體系的類型特征，支座和墩柱均是耗能部位。

1.2 橡膠支座

普通板式橡膠支座是由多層薄鋼板與多層橡膠片硫化粘合而成一種疊層橡膠支座產品，它具有構造簡單、加工制造容易、用鋼量少、成本低廉和安裝方便等優點，在公路橋梁領域被大量普及應用。

LNR天然橡膠支座在常規疊層橡膠支座的基礎上做了改進，能滿足較大的剪切位移，且與主梁、墩臺進行有效連接。兩種支座的性能對比見表1。

表1 LNR天然橡膠支座與普通橡膠支座技術性能對比分析表

1.3 抗震分析方法

1.3.1 典型結構

本項目橋梁主要采用20m、25m、30m和40m跨徑的裝配式預應力混凝土連續箱梁橋。經計算對比，上述跨徑的結構地震響應特性基本一致，本文以4m×30m跨徑組合的裝配式預應力混凝土連續箱梁橋作為典型結構建立有限元模型，進行對比分析。本次計算應用MIDAS2010通用有限元程序，建立了橋梁的空間有限元模型，進行了動力特性分析和反應譜分析。

1.3.2 設計加速度反應譜

根據《細則》第6.1.4條，對于本文中的橋梁結構在E1和E2地震作用下的抗震分析可采用單振型反應譜法進行計算。根據《工程場地地震安全性評價報告》，基本地震動峰值加速度為0.10g，E1地震（50年超越概率40%）水平向地震動加速度峰值為0.052g，特征周期為0.44s；E2地震（50年超越概率2%）水平向地震動加速度峰值為0.206g，特征周期為0.61s，E1、E2地震水平設計加速度反應譜如圖1和圖2所示。

圖1 E1地震水平設計加速度反應譜曲線

圖2 E2地震水平設計加速度反應譜曲線

2 橡膠支座抗震驗算

2.1 支座厚度驗算

根據《細則》第7.5條及10.4.2條，驗算板式支座厚度是否滿足地震作用下位移要求。表2和表3分別列出了普通板式橡膠支座和LNR天然橡膠支座在E2地震作用效應和永久作用效應組合下的支座位移驗算結果。

表2 GJZ400×400×84支座位移驗算成果表（容許位移0.06m）

表3 LNR-d420×128支座位移驗算成果表（容許位移0.18m）

計算結果表明：在E2地震作用下，普通板式橡膠支座橫橋向計算位移均大于容許位移；當墩高H≤12m時，支座順橋向計算位移大于容許位移，不滿足《細則》要求。LNR支座的兩個方向的計算位移均小于容許位移，且有一定的富余，能夠滿足E2地震作用下位移要求。

2.2 支座抗滑穩定性驗算

根據《細則》第7.5條規定，對普遍板式橡膠支座進行抗滑穩定性驗算。表4列出了普通板式橡膠支座抗滑穩定性驗算結果。

表4 GJZ400×400×84支座的抗滑穩定性驗算（容許水平力84kN）

LNR支座采用螺栓、套筒和錨桿連接，螺栓承擔抗剪，E2地震下只要螺栓能承擔抗剪則可滿足支座抗滑穩定性的要求。根據《公路橋梁抗震設計細則》第7.5條規定，支座的動摩擦系數最小為0.10，為偏安全考慮，LNR支座的容許水平力未考慮支座與梁體、墩臺的摩擦力，所有水平力均由螺栓承擔。表5列出了LNR支座E2地震下抗滑穩定性驗算結果。

表5 LNR-d420×128支座的抗滑穩定性驗算（容許水平力312kN）

計算結果表明：E2地震作用下，普通板式橡膠支座兩個方向的水平地震力均大于容許水平地震力，不滿足《細則》要求。LNR支座兩個方向的水平地震力均小于容許水平地震力，且有一定的富余，能夠滿足抗滑穩定性要求。

綜上所述，普通板式橡膠支座未與主梁和橋墩進行有效的連接，支座在E2地震作用下會發生滑移、破壞或失效，主梁在地震下的位移會進一步增大，產生不可恢復的變形，易發生落梁。LNR支座的剪切位移和抗滑移性均能滿足《細則》要求，與主梁和橋墩進行有效連接，確保橋梁上部結構有效傳遞地震力至下部結構，實現了橋梁下部結構水平力分散，各墩協同抵抗水平力。

3 結論

本文計算分析了裝配式預應力混凝土連續箱梁橋分別采用普通板式橡膠支座和LNR天然橡膠支座時，橋梁結構的地震響應情況。主要結論如下。

3.1 由于普通板式橡膠支座容許變形能力小并且僅靠摩擦力與箱梁和橋墩接觸，在7度地震區E2地震作用下，普通板式橡膠支座的厚度與抗滑穩定性不能滿足《細則》的要求；

3.2 在7度地震區E2地震作用下，普通板式橡膠支座存在被剪斷、或滑移導致上部結構落梁的風險。

3.3 LNR天然橡膠支座有較大的變形能力，通過螺栓與上部箱梁和墩臺的有效連接，分散了水平力，使各墩協同受力，能夠取得較好的抗震效果。

3.4 在7度地震烈度區，建議裝配式預應力混凝土連續箱梁橋采用LNR天然橡膠支座，能夠在使用性能和經濟性之間達到一個較好的平衡。

[1]GB 18306—2001，中國地震動參數區劃圖[S].

[2]JTG/T B02—01—2008，公路橋梁抗震設計細則[S].

[3]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[4]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]陜西大地地震工程勘察中心.工程場地地震安全性評價報告[R].西安：陜西大地地震工程勘察中心，2011.