鉛芯隔震橡膠支座在橋梁中的應用

羅 進

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

鉛芯隔震橡膠支座在橋梁中的應用

羅 進

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

以幫滇河3號大橋為依托，采用有限元時程分析方法，比較分析普通板式橡膠支座與鉛芯隔震橡膠支座抗震性能。研究結果表明：采用鉛芯隔振橡膠支座可有效改善橋梁在地震中的受力狀況，較大幅度減少墩底軸力、剪力、彎矩。研究成果為該工程的支座替換提供理論依據。

鉛芯隔震橡膠支座；減隔震；時程分析

1 工程概況

幫滇河3號大橋位于龍陵～瑞麗高速公路上，為跨越320國道與河流而設，該橋中心樁號為K73+559，全長390 m，上部結構：3×30+3×40+3×30+3×30 mT形連續梁。下部結構:橋墩為樁柱式直徑1.8 m，長度3～5 m的矮墩。全橋共設5道伸縮縫，橋墩處(3#、6#、9#)和橋臺處分別采用160型、80型伸縮縫裝置。全橋橋型布置見圖1。

圖1 幫滇河3號橋橋型布置

2 有限元建模

鉛芯支座是在普通疊層橡膠支座的中心插入鉛芯，以改善橡膠支座阻尼性能。鉛芯支座除能承受結構物的重力和水平力外，鉛芯產生的滯后阻尼的塑性變形還能吸收能量，并可通過橡膠提供水平恢復力比普通橡膠支座有較大優勢，本項目采用普通橡膠支座和鉛芯隔震橡膠支座作對比，兩類支座各有3種不同型號用于30m、40m跨和伸縮縫中，支座型號見表1和表2。

表1 普通橡膠支座

表2 鉛芯橡膠隔震支座

圖2 有限元模型

利用MIDAS Civil 2012分別建立兩種不同工況形式的有限元模型。工況1采用普通板式橡膠支座，工況2采用鉛芯隔震橡膠支座。兩種工況建模時，T梁采用C50砼，蓋梁和墩柱采用C30砼，樁采用土彈簧模擬，模型見圖2。地震波根據云南省地震工程研究院提供的《國家高速公路網橫12杭州至瑞麗公路龍陵(龍山卡)至瑞麗(弄島)段高速公路重點工程場地地震安全性能評價報告》，確定E1地震波采用50年超越概率63%的3條地震波和E2地震波采用50年超越概率2%的3條地震波，本文提供E1、E2地震波各1條，如圖3、圖4所示。

圖3 E1地震波(50年超越概率63%)

圖4 E2地震波(50年超越概率2%)

地震響應分析采用非線性動態時程分析法，積分采用振型疊加法，時間步長Δt取0.02 s，持續時間為20 s。阻尼矩陣采用振型阻尼，阻尼比取0.05。地震波組合采用橫橋向或順橋向+豎向組合方式，豎向地震動分量取水平分量的0.65倍。

3 動力時程結果比較分析

3.1 結構動力特征分析

圖5 結構振動周期

兩種工況下前10階結構振動周期見圖5。由圖5可知，采用工況2支座形式比采用工況1支座形式振動周期增加約7.1%～12.5%。這說明采用鉛芯隔震支座可較大程度地增加結構的延性，這可增強橋梁的抗震能力。

3.2 墩底最不利截面內力

兩種工況下順橋向橋墩最不利截面軸力、剪力和彎矩見圖6、圖8、圖10，橫橋向最不利軸力、剪力和彎矩見圖7、圖9、圖11。

由圖6～圖11可以看出，鉛芯隔震支座能不同程度地降低墩底軸力、剪力、彎矩。比較工況1和工況2可以看出，順橋向軸力除7號墩外，其余墩底降低0.9%～7.9%，剪力降低16.3%～34.3%，彎矩降低9.9%～32.1%。橫橋向軸力降低15.1%～27.2%，剪力降低7.4%～34.7%，彎矩降低13.9%～33.7%。

3.3 伸縮縫與支座位移

兩種工況下橋梁伸縮縫位移見表3，支座位移見表4、表5。從表3中可以看出，工況2支座位移均小于工況1的支座位移，相同位置伸縮縫最大減少129.6 mm，減少幅度在15.8%～64.4%，支座順橋向降低22.4～30.7%，橫橋向降低23.9%～45.2%。

圖6 順橋向墩底軸力對比圖

圖7 橫橋向墩底軸力對比圖

圖8 順橋向墩底剪力對比圖

圖9 橫橋向墩底剪力對比圖

圖10 順橋向墩底彎矩對比圖

圖11 順橋向墩底彎矩對比圖

mm

表4 順橋向支座位移 mm

表5 橫橋向支座位移 mm

4 結論

(1)低墩橋梁剛度大，自振周期較短，鉛芯隔震支座可明顯延長橋梁的自振周期，能避開地震波高峰，從而降低橋梁地震反應。

(2)使用鉛芯隔震橡膠支座相對普通板式橡膠支座，可將地震作用下墩底內力減小，峰值削弱，曲線相對平緩。

(3)采用鉛芯隔震橡膠支座相對普通板式橡膠支座，可減小地震作用下的伸縮縫位移。

綜上所述，采用鉛芯隔震橡膠支座相對于普通板式橡膠支座，可減小地震作用下的墩底內力、樁身內力、伸縮縫位移以及支座位移，從而提高橋梁的抗震性能。因此，建議采用鉛芯隔震橡膠支座替代普通板式橡膠支座。

[1]黃少艷，閻貴平，鞠彥忠.采用減隔震支座提高橋梁結構的安全性[J].中國安全科學學報，2002，12(5)：71-75.

[2] 龔萬江，劉朝福，劉維娟.支座對連續T形梁抗震性能影響分析[J].公路交通科技：應用技術版，2008，45(9)：17-19.

[3] 方海，李升玉，王曙光，等.高烈度區連續橋的減隔震設計方法研究[J].地震工程渝工程振動，2005，25(6)：178-182.

[4] 莊軍生.橋梁支座[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[5] 鐘鐵毅，李宇，楊風利，等.鉛芯橡膠支座隔震連續梁橋的地震能量反應分析[J].中國鐵道科學，2009，30(3)：11-14.

Application of lead rubber bearings in bridges

LUO Jin

(SchoolofArchitectureandConstruction,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

This paper compares the seismic performance of ordinary laminated rubber bearings with the seismic performance of lead rubber bearings on the basis of No.3 Bridge of Bangdian River by using finite element time-history analysis method. The results show that using lead rubber bearings can effectively improve the force status of bridges in the earthquakes. And it can also reduce pier base axial force, shear force and bending moment substantially. The researching results provide theoretical bases for the replacement of bearings in this project.

lead rubber bearings; seismic mitigation and absorption; time-history analysis

2013-12-07

羅 進(1986-)，男，重慶萬盛人，重慶交通大學土木工程學院碩士研究生。

1674-7046(2014)01-0015-04

U443.36

A