鉛芯橡膠支座在舊橋抗震加固中的應用

米曦亮，胡 鵬

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市100082)

鉛芯橡膠支座在舊橋抗震加固中的應用

米曦亮，胡 鵬

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市100082)

針對某舊橋不滿足抗震性能要求的問題，提出采用鉛芯橡膠支座進行減震。以雙線性模型模擬支座，并選取合適的地震波時程對橋梁下部結構進行時程分析。結果表明，E2地震下結構內力大幅削減，變形滿足要求，實現了抗震加固的目標。

舊橋;鉛芯橡膠支座;抗震加固;時程分析

0 引言

根據中國公路學會報告，到2013年底，全國共有公路橋梁73.53萬座，市政橋梁約5萬座，我國已經躋身于世界橋梁大國［1］。但另一方面，大量興建于上世紀八九十年代的橋梁經過二三十年的服役，已經出現了種種病害，橋梁局部構件損壞、整體垮塌等現象屢有發生。而橋梁抗震設計理論也不斷發展，抗震設計方法已經從原來的擬靜力法發展到現在的延性設計理論，從僅關注結構在多遇地震下的承載能力發展到確保結構在E2地震下不出現整體垮塌，對橋梁下部結構能力保護設計提出了明確的要求，部分老舊橋梁已經不能滿足新的抗震要求。綜合前面的原因，對老舊橋梁的改造已經迫在眉睫。橋梁上部結構的加固方式較多，粘鋼板、增設鋼托梁、張拉體外預應力等都是成熟可靠的方法，而下部結構的加固方式則相對較少，本文提出采用更換鉛芯橡膠支座來進行減震設計，減小下部結構內力，使其在E2地震作用下滿足抗震性能要求。

1 某現況橋梁簡介

北京地區某現況橋梁興建于1985年，長1 km，寬15 m，上部結構為50跨20 m簡支T梁，下部結構為排架式墩柱接蓋梁形式，基礎為1.5 m鉆孔灌注樁，樁頂設系梁連接。該橋梁位于交通量繁重的郊區二級道路上，貨運大車較多，經過二十多年的使用橋梁已經出現較多病害(見圖1)。

2010年，在對橋梁所處道路進行改擴建之前，對橋梁結構進行了詳細的檢測評估和計算分析，橋梁的抗震驗算結果如下:

圖1 現況橋梁實景

(1)在E1地震下，下部結構滿足承載力要求;

(2)在E2地震下，墩柱斜截面抗剪、蓋梁正截面抗彎承載能力不滿足能力保護構件要求;

(3)墩柱和樁基的箍筋配置較少，潛在塑性鉸區域未加密，不滿足抗震構造要求，延性不足。

針對上述問題，本文擬采用鉛芯橡膠支座對橋梁進行減震設計，目標是減小E2地震下部結構的內力，使其仍處于彈性范圍內。這樣，就能避免因主筋和箍筋不足造成的不滿足塑性鉸區域構造要求問題和不滿足能力保護要求問題。

2 鉛芯橡膠支座的力學性能

鉛芯橡膠支座是在普通板式橡膠支座的中部或中心周圍部位豎直壓入一個或幾個高純度鉛芯制成的，通過鉛芯的剪切變形來吸收耗散振動能量。鉛芯橡膠支座具有構造簡單、加工制造容易、安裝方便、設計阻尼有較大的靈活性(調節鉛芯的幾何尺寸)、耐疲勞性能好、在常態下剛度較大等優點，在工程實際中就得到了廣泛應用。在我國、日本、美國和新西蘭等國已建造了一千余座此類隔震結構，其中數座在1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震中經受了強烈地震動的考驗，顯現了良好的隔震效能［2］。

鉛芯橡膠支座的本構關系是非線性的，最常用分析模型是雙線性分析模型，模型圖如2所示。

圖2 鉛芯橡膠支座的雙線性分析模型圖

在雙線性模型中，主要力學參數包括彈性剛度Ku、屈服后剛度Kd、特征強度Qd等。對于這些力學參數與支座的結構參數，在一些國外規范及國內外文獻中均有研究。日本橋梁免振設計條例提出了修正的雙線性模型，其中彈性剛度Ku和屈服后剛度Kd隨支座變化耳變化，但特征強度Qd保持為常數，這與試驗結果不符，實際中采用較少;新西蘭規范MWD CD818/A(1981)中，彈性剛度Ku和屈服后剛度Kd的比例關系為6.5，特征強度Qd為7.06D2(D為鉛芯直徑，mm)［3］。近些年來，國內較多研究者通過試驗，亦提出了自己的本構關系模型。本文主要參考鐵道科學研究院吳彬、莊軍生等提出的雙線性模型力學參數計算公式［4］，按OVMY2Q300及OVMY4Q300支座結構參數計算得到支座的力學模型。

3 計算模型

采用Midas/Civil 2006軟件建立空間桿系模型，模擬支座的非線性本構關系，輸入地震波進行時程分析。分析方法采用直接積分法，通過非線性迭代計算求得結構在各時間步的響應，結構阻尼采用振型阻尼0.05。

3.1 結構模型

各結構構件采用空間梁單元模擬，上部結構恒載以集中力均勻施加在各支座處;樁側土約束根據“m”法用土彈簧模擬其水平約束剛度。圖3為下部結構計算模型圖。

圖3 下部結構計算模型圖

3.2 支座力學模型

由靜力計算得到，現況T梁單個支座所承受的最大反力約為285 kN，考慮到此次加固換梁的可能性，采用OVMY2Q300或OVMY4Q300支座，支座承載力440 kN，支座結構參數如表1所列。

表1 OVM鉛芯橡膠支座結構參數表

支座力學參數計算公式如下:

式中:Gu為支座的剪切模量，與剪切應變關系較大，在應變大于50%情基本穩定;Apb為鉛芯的橫截面面積，單位mm2;Hpb為鉛芯的有效變形高度，等于橡膠總厚度，mm。

式中:Apb為鉛芯的橫截面面積，m2。

表2為OVM鉛芯橡膠與壓力學參數表，圖4為OVMY4Q300支座本構關系模型圖。

表2 OVM鉛芯橡膠支座力學參數表

圖4 OVMY4Q300支座本構關系模型圖

3.3 地震波檢驗

由于橋位處未做地震安全性評價，故只能采用與抗震細則中加速度反應譜兼容的實際地震波或人工合成時程計算。根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2001)第5.1.2條規定，地震加速度時程應滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效加速度峰值和持續時間要符合規定。

根據1978年美國ATC-3規范，在阻尼比為5%的加速度反應譜中取周期為0.1～0.5 s之間的值平均為Sa，在阻尼比為5%的速度反應譜中取周期為0.5～2 s之間的值平均為Sv(或取1 s附近的平均速度反應譜)。地震波的三要素計算如下:

有效峰值加速度EPA=Sa/2.5

有效峰值速度 EPV=Sv/2.5

特征周期 Tg=2π·EPV/EPA

有效峰值加速度EPA應滿足《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2001)表5.1.2-2的要求:對于設防烈度8度，動峰值0.2 g地區的罕遇地震，時程曲線最大值應為0.4 g;特征周期Tg應與橋位場地特征周期相同或接近;持續時間取地震動幅值大于0.05 g的時間總和。在計算中采用1940 EI Centro Site，180Deg時程及某人工合成時程分別進行檢驗，選擇合適的時程用于減振計算(見圖5～圖10)。

圖5 1940年EI Centro Site,180De9時程曲線圖

圖6 某人工合成時程曲線圖

圖7 EI Centro Site時程對應的絕對加速度反應譜曲線圖

圖8 EI Centro Site時程對應的近似速度反應譜曲線圖

圖9 某人工合成時程對應的絕對加速度反應譜曲線圖

圖10 某人工合成時程對應的近似速度反應譜曲線圖

從圖5～圖10可以得到，對于1940 EI Centro Site，180Deg時程，Sa=0.5 g，Sv=0.5 m/s，由此可得，EPA=0.2 g，EPV=0.2 m/s，Tg=2×3.1416×0.2/2=0.63(s);

對于人工合成時程，Sa=9.1 m/s2，Sv=1.05 m/s，由此可得，EPA=3.64 m/s2，EPV=0.42 m/s，Tg=2× 3.1416×0.42/3.64=0.72(s)。

兩條時程的特征周期均與場地特征周期0.35 s有一定差距，有效加速度峰值可以通過放大系數調整;從持續時間看，35 s以后兩條時程的幅值均小于0.05 g。從加速度反應譜看，人工合成時程與規范反應譜形狀更為接近，故取其計算。通過放大系數1.1調整幅值至0.4 g。

4 計算結果

分別計算了不采用鉛芯支座時結構在E2規范反應譜、人工時程下的響應，以及采用鉛芯支座(OVMY2Q300、OVMY4Q300)減振時結構在人工時程下的響應(見圖11、圖12及表3)。

圖11 不采用鉛芯支座時在人工合成時程下中墩墩底截面縱向彎矩時程曲線圖

圖12 采用OVMY4Q300支座時在人工合成時程下中墩墩底截面縱向彎矩時程曲線圖

表3 各項工況計算結果匯總表

結論:

(1)人工時程得到的最大內力略大于反應譜結果，時程取用合適。

(2)采用OVMY4Q300支座時，墩柱內力及樁基最大彎矩減少約52%，減振效果明顯，經驗算，墩柱及樁基承載能力滿足要求。主梁相對于蓋梁的縱向位移最大為3.8 cm，變位較小，現有變形縫寬度滿足位移要求。

5 結語

本文采用國內學者提出的參數計算公式以雙線性模型模擬鉛芯橡膠支座，對該支座在某舊橋抗震加固中的減震性能進行了詳細分析。通過頻譜特性、有效加速度峰值和持續時間等三要素的檢驗，選定了適合橋梁場地特性的地震波。地震波時程分析結果表明，結構在E2地震下的內力得到了大幅削減，仍處于彈性工作范圍，滿足了《公路橋梁抗震細則》的要求，實現了抗震加固的目標。

［1］ 趙君黎. 公路橋梁學科發展 ［A］. 2014年全國橋梁學術會議論文集［C］.珠海:2014.

［2］ 江宜城，聶肅非，葉志雄，李黎. 多鉛芯橡膠隔震支座非線性力學性能試驗研究及其顯式有限元分析［J］. 工程力學，2008，25(7).

［3］ 張輝，戴公連. 武廣高速鐵路陳村水道特大橋地震響應及支座優化研究［J］. 城市道橋與防洪，2008，(7).

［4］ 吳彬，莊軍生，臧曉秋. 鉛芯橡膠支座的非線性動態分析力學參數試驗研究［J］工程力學，2004，21(5).

U455.7+2

B

1009-7716(2015)04-0074-04

2015-01-23

米曦亮(1982-)，男，湖南岳陽人，工程師，從事橋梁工程設計工作。