橋梁橡膠支座對抗震性能的影響分析

閆 玲

(太原市政建設集團有限公司，山西 太原 030002)

在各種橋梁施工過程中，橋梁的抗震問題一直是橋梁施工的重點考慮問題。隨著材料技術和工程技術的不斷發展，橡膠支座被廣泛用于橋梁的抗震設計。本文結合橋梁橡膠支座性能，分析橡膠支座對橋梁抗震性能的影響，重點以鉛銷橡膠支座為例分析了支座對減震率的影響。

1 橋梁橡膠支座構造

在現代橋梁建設過程匯總分析，典型的橋梁抗震裝置包括兩類：柔性支承裝置和阻尼裝置，其中又以柔性支承裝置應用最為廣泛，性能較優。在眾多橋梁支座種類中，橡膠支座因其實用性好、抗震性強而被廣泛應用于世界各種抗震需求大的橋梁建設中。通常情況下，橡膠支座是由薄鋼板和薄橡膠板經過高溫硫化處理后交替結合粘結在一起形成的。橋梁橡膠支座中的橡膠通常采用天然橡膠和氯丁膠。天然橡膠和氯丁膠各自擁有不同的優點與缺點。天然橡膠的抗凍性和彈性都優于氯丁膠；而氯丁膠的其他性能，例如耐油性、抗老化性、抗腐蝕性等均優于天然橡膠。

在橋梁橡膠支座的支座過程中，由于橡膠層之間被加入了鋼板薄層，并且經過高溫硫化粘結處理后，橡膠層和鋼板層之間的粘結十分緊密。因此，當橋梁橡膠支座無論受到橋梁上方的垂直載荷，還是橋梁下方的垂直載荷時，都能夠很好地約束橋梁的橫向變形，即橡膠支座使橋梁具有很強的抗垂直載荷能力，也就是說橋梁橡膠支座具有很好抗震性能。

現階段，能夠用于橋梁建設的橡膠支座種類繁多，橋梁設計單位和橋梁建設單位必須要對橋梁的建設環境以及使用環境進行具體的考察，然后才能科學合理地選擇橋梁橡膠支座種類。在橋梁橡膠支座選擇過程中，需要考慮的因素包括橋梁強度、橋梁的橫向坡度、橋梁縱向坡度、橋梁設計載荷、氣候，重點是要考慮橋梁的地震條件和結構形式，在綜合考量這些因素之后，才能合理地選擇橋梁橡膠支座種類，進而設計出科學準確的橡膠支座參數。

在選擇合適的橋梁橡膠支座類型之后，還需要對橋梁橡膠支座的參數進行準確計算。具體可以按照如下步驟進行：首先，在設計橋梁橡膠支座時，必須要計算出橋梁支座的反力、位移和轉角，此外，還應該準確計算橋梁的縱向水平力和橫向水平力。其次，將所有計算出的橋梁受力參數，反力、位移、轉角縱向水平力和橫向水平力在最不利的條件下進行組合。最后，基于各個橋梁參數最不利條件下的組合，推算橋梁橡膠支座的參數。此外，在橋梁橡膠支座的設計過程中，還需要考察橋梁的振動周期和振動頻率。這是因為橋梁的振動周期與振動頻率會直接影響橋梁橡膠支座的類型、材料性質、截面尺寸、支座布置和數量等因素。

2 橋梁橡膠支座的力學性能分析

鉛銷橡膠支座是一種橋梁建設過程中應用十分廣泛的橡膠支座。鉛銷橡膠支座由層狀橡膠、鋼板以及鉛銷組成。其中層狀橡膠是用來支承橋梁載荷的，鉛銷的主要作用是吸收橋梁由于外部載荷而產生的多余能量。鉛銷是抗震的主體部件，其抗震過程如下：首先，當橋梁的水平力較小時，由于橡膠支座具有相對較強的初始剛度，橡膠支座的變形很小；然后，當發生地震時，一方面鉛銷屈服能夠抵消一部分地震力，另一方面橡膠支座剛度的降低也可以抵消掉很大一部分地震力。此外，實驗表明橡膠支座不但可以起到抗震的作用，還能夠有效延長橋梁的結構和使用壽命。因此，鉛銷橡膠支座能夠滿足抗震需求，是一個性能優良的橋梁抗震裝置。

橡膠支座已經大量應用于現代橋梁建設過程中，并且起到了良好的抗震作用。經過大量實際工程經驗和試驗測試表明，在鉛銷橡膠支座中設計滯回曲線可以近似為雙線性曲線，具有屈服后剛度小于初始剛度的優良性能，能夠十分穩定地吸收外部能量。并且，隨著橋梁鉛銷橡膠支座的進一步增加，橡膠支座的滯回面積也逐步加大，也就是說鉛銷支座在抵消地震產生的變形力的同時，其消耗于支座的變形功大于正常卸載支座所承受的變形力。這是因為，在橋梁橡膠支座抵消地震能量時，一部分變形功已經被橋梁鉛銷橡膠支座吸收了。下面分別分析橋梁鉛銷橡膠支座在承受外部能量時的靜力特性和動力特性。

2.1 鉛銷橡膠支座的靜力特性

世界上的絕大部分橋梁都是露天建筑物，需要在露天環境中工作。因此，橋梁鉛銷橡膠在選材和功能設計中必須要充分考慮到橋梁能夠長期使用，保持橋梁的穩定性和使用壽命。所以，橋下鉛銷橡膠支座必須要具備下列靜力特性:

1)豎向承載能力。

在發生地震等不可抗拒的自然災害時，橋梁鉛銷橡膠支座一定要能夠應對較大的應變力，以便于充分發揮支座的減震作用。而豎向承載力是橋梁鉛銷橡膠支座能夠抗震的關鍵。基于相關橋梁建設標準，普通的橋梁鉛銷橡膠支座應該按照相應豎向承載力的要求或者更安全的標準選取橋梁鉛銷橡膠支座材料和設計功能。

2)平時水平荷載抵抗能力。

由于地震等自然災害具有很強的隨機性和不可預測性，因此在設計橋梁鉛銷橡膠支座時，要充分考慮到支座的屈服載荷，保證橋梁鉛銷橡膠支座的屈服載荷大于平時橋梁上部結構承受的風力和制動力的水平力之和。而在發生地震等自然災害時，又要保證橋梁鉛銷橡膠支座產生較大的變位，以抵消高強度外部能量。

3)徐變壓縮量。

在橋梁上部結構持久載荷力以及橋梁上部通行交通工具等外部載荷力的作用下，橋梁鉛銷橡膠支座會發生輕微變形而造成橋梁路面不平整。因此，在橋梁鉛銷橡膠支座的減震設計中，還應該充分考慮橋梁鉛銷橡膠支座在載荷作用下的徐變壓縮量。通常，要保證鉛銷橡膠支座的徐變壓縮量控制在橡膠厚度的5%以內。

2.2 鉛銷橡膠支座的動力特性

橋梁鉛銷橡膠支座在地震發生時，會受到地震力的來回往復作用。因此，橋梁鉛銷橡膠支座必須要具備以下動力特性：

1)合適的剛度和阻尼。

一般情況下，要求橋梁鉛銷橡膠支座的等效剛度和等效阻尼常數必須在一定范圍內。經過大量試驗與工程實踐表明，鉛銷橡膠支座的等效剛度和等效阻尼常數實際值域設計值之間的偏差量必須要控制在4%～10%之間。嚴格控制鉛銷橡膠支座的等效剛度和等效阻尼常數是因為這兩個參數直接影響了橋梁鉛銷橡膠支座的減震性能。如果橋梁鉛銷橡膠支座的等效剛度和等效阻尼常數符合要求，當發生地震時，橋梁的上部加速度、變位等變化就不會影響到橋梁整體結構，能夠保持橋梁的穩定性；反之，一旦橋梁鉛銷橡膠支座的等效剛度和等效阻尼常數超出設計值范圍10%以上，就會導致地震發生時，橋梁減震作用不足，影響橋梁整個結構穩定性。

2)承受地震作用的能力。

相關規定中已經明確指出，橋梁鉛銷橡膠支座必須能夠承受住50次連續的正負反復荷載作用與剪切變位。因此，在設計橋梁鉛銷橡膠支座，要充分論證支座的抗正負反復荷載作用與剪切變位，力求在高強度的載荷作用與剪切變位作用下，支座不發生損壞，不影響橋梁整體結構穩定性。

3 橋梁橡膠支座對抗震性能的影響

目前，我國的橋梁建設中普遍采用梁氏結構，橋梁的支座也大量應用橡膠支座。因此，本節將橋梁鉛銷橡膠支座的減震率定義為采用鉛銷橡膠支座與普通的橡膠支座之間的對地震能量減緩的比率，具體包括結構地震對控制參數的影響，有橋墩的墩頂位移、墩底剪力和墩底彎矩。所以，橋梁鉛銷橡膠支座的減震率可以定義為式(1)：

η=(SLRB-SRB)/SRB

(1)

其中，η為橋梁鉛銷橡膠支座的減震率，用百分比形式表示；SLRB為應用橋梁鉛銷橡膠支座的私地震反應；SRB為未應用橋梁鉛銷橡膠支座的地震反應。已有研究成果表明，如果橋梁設計的基準期是50年內能夠抵御的地震烈度是63.2%以上時，即通常所說的L1等級地震作用下，橋梁鉛銷橡膠支座的減震效果并不是十分明顯；但是如果在橋梁設計的基準期是50年內能夠抵御的地震烈度是2%以上時，即L2等級地震，適當的加大橋梁鉛銷橡膠支座的阻尼系數，能夠有效降低地震作用。因此，文中將橋梁鉛銷橡膠支座的減震目標定位抵御L2等級地震。

前述分析表明，橋梁鉛銷橡膠支座的鉛銷面積是影響整個橋梁抗震性能的關鍵因素之一。接下來，以墩高9 m的三跨20 m連續梁橋為例，分析橋梁鉛銷橡膠支座的鉛銷面積與減震效果之間的具體關系。在分析過程中，橋梁鉛銷橡膠支座的鉛銷面積用鉛銷直徑的形式表示。

1)橋臺支座鉛銷面積對減震率的影響。

分析橋梁鉛銷橡膠支座自身機構以及支座與橋梁各個結構的關系可知，橋臺的減震率存在隨橋臺支座鉛銷面積的增加先增大后減小的規律特性，而橋墩的減震率隨橋臺支座鉛銷面積的增大而增大。因此，橋梁鉛銷橡膠支座可以有效控制地震能量，確保整個橋梁結構不會受到嚴重損壞。

2)橋墩支座鉛銷面積對減震率的影響。

當地震發生時，隨著橋墩支座鉛銷面積的增加而增大，而橋墩減震率隨橋墩支座鉛銷面積的增加先增大后又減小。因此，如果要改變各個墩臺的抗震頻率，可以通過改變各個墩臺的支座鉛銷面積實現。這說明，合理配置各個墩臺的鉛銷面積能夠調節整個橋梁的抗震性能，但是這種調節只能是在一定限度內進行。

4 結語

橋梁的抗震性是橋梁設計和橋梁施工過程中的重要方面。本文從提高橋梁抗震性角度出發，分析了橡膠支座對橋梁抗震性的影響，以期為提高橋梁支座抗震性提供一定的參考與借鑒。