鉛芯橡膠支座在連續梁橋中的抗震應用分析

(重慶交通大學 重慶 400074)

引言

鉛芯橡膠支座作為一種有效的減隔震裝置[1-2]廣泛應用于國內外的橋梁中，美國目前已經有114座隔震橋梁，大部分釆用鉛芯橡膠隔震支座[3]，而在日本2000年全年度審查的隔震結構中,采用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結構數量占總數的50%以上,我國則占到90%以上，因此國內的鐵道部科學研究院的吳彬，以及西南交大的王強等對鉛芯橡膠支座力學性能，支座的破壞，以及連續橋梁地震反應分析開展了大量的研究工作。通過研究這些文獻，對支座的破壞，鉛芯支座的力學性能和應用進行簡單的歸納綜述。

一、在連續橋梁中支座震害破壞實例

橋梁支座是橋梁的薄弱部位，震害普遍。在1995年的日本坂神地震中，支座的破壞比例達到了調查總數的28%。在2010年，1月12日，海地發生里氏7.3級地震，橋梁支座的破壞不在少數。在2011年的東日本大地震中，大量減隔震建筑都經受了強烈地震的實際考驗[5]。在2008年的汶川地震中，百花大橋等連續梁橋也出現了嚴重的支座震害，以致百花大橋垮塌。因此支座的選型和適當布置對連續梁橋的抗震有重要意義。支座震害主要是由錨固螺栓拔出后剪斷造成的支座位移，活動支座脫落，和支座自身構造破壞引起的。

橋梁支座在地震中的破壞可以分為以下幾個階段[6]：正常使用階段,把固定支座看成剛度固定的彈簧,活動支座看成摩擦系數固定的摩擦面。損傷發展階段,把固定支座的破壞失效看作彈簧的剛度降低，活動支座則達到極限位移，出現脫空，卡死等現象，而上下錨固的支座發生剪切破壞。完全失效階段，固定支座已成為了摩擦模型，狀態復雜，支座殘余構件與上下部結構的混凝土之間產生干摩擦，活動支座也產生同樣的干摩擦,或因殘部咬合形成固結狀態。地震中支座的破壞主要是由于其力學性能不能滿足抗震要求而造成的。剛度不夠，則無法承受過大的荷載，而造成自身構造的破壞。阻尼性能差，則當支座剛度降低，產生過大位移時，無法控制其位移的限值，從而使支座脫落，在錨固處發生剪切破壞。因此選取抗震支座時，需考慮其力學性能。

二、鉛芯橡膠支座的力學性能

鉛芯橡膠支座的力學性能主要由其本身的材料及尺寸所決定[7]，根據莊軍生[8]采用等效線性化模型參數的試驗和吳彬[9]采用非線性動態分析力學參數的試驗研究表明鉛芯橡膠支座的等效剛度，等效阻尼比，初始剛度，屈服后剛度，特征強度在往復加載，卸載循環過程中具有良好的穩定性。

實驗表明支座的水平耗能特性隨剪應變增大而增大，有著良好的地震耗能性。等效剛度，隨剪應變的增大而減小，延長了地震周期，以此來減小地震反應的能量(上部結構的加速度反應，層間剪力等)，減小了支座破壞的可能性，但同時增大了上部結構的位移。合適的等效阻尼比則能夠減小動位移，將上部結構的位移控制在允許范圍之內，使支座不會產生過大的滑動位移。剛度，提供給橋梁正常使用時的必要剛度，同時使橋梁的橋墩各處擁有同樣的初始剛度，使橋墩平均受力，共同抵抗地震作用。合適的屈服后剛度，可以使延性需求和累積滯回耗能在結構中的分布更為均勻,避免出現局部損傷集中和形成局部破壞機制,且震后具有較小的殘余變形,有利于震后結構修復。支座的特征強度則提供良好的豎向承載力。

由于鉛芯橡膠支座具有穩定性能好，水平耗能大，剛度和阻尼比合適等優點，鉛芯橡膠支座的滯回曲線飽滿，整個結構塑性變形能力強，有良好的滯回耗能能力，即有良好的抗震性能。

三、鉛芯橡膠支座在連續梁中的抗震效果

根據鐘鐵毅等[10]對鉛芯橡膠支座隔震連續梁橋的地震能量的分析和吳斌[11]對在橋梁工程中減、隔震應用的研究，表明地震中連續梁橋所受到的地震能量主要由滯回耗能和阻尼耗能承擔，且滯回耗能承擔了4/5的能量，鉛芯橡膠支座通過自身的不可恢復的變形，消耗了大部分地震能量，但結構中其它構件仍處于彈性工作狀態，因此減少了結構的非彈性變形,達到了保護主體結構的目的。

鉛芯橡膠支座的滯回耗能在地震中的具體表現，可以根據王強[12]對大跨長聯連續梁橋地震反應和聶肅非[13]的研究得出，在加入鉛芯橡膠支座之后,墩的內力量雖然比采用普通橡膠支座時大，但相差很小(約5%-10%)，梁位移卻比采用普通橡膠支座時減少70%-80%以上。其支座剪力以及墩底的剪力和彎矩均明顯減小,說明支座能有效地減少橋梁結構的橫向墩底剪力和墩底彎矩峰值,即有效的吸收了地震能量，減小了結構的非彈性變形。由此可見,鉛芯橡膠支座比普通橡膠支座更加適合應用于橋梁隔震。

四、結束語

鉛芯橡膠支座的力學性能由其本身材料和尺寸決定,其擁有良好的力學性能。鉛芯橡膠支座通過延長橋梁的結構周期，來吸收能量，以此降低地震力。其耗能能力阻尼則減小動位移，使得位移在設計允許的范圍內，其剛度和屈服則是其在水平力下不屈服變形和發生破壞。總的來說，鉛芯橡膠支座耐久性好，抗低周期疲勞性能良好，具有足夠的安全儲備，適用于各種類型橋梁的抗震，通過對其在連續梁橋中的抗震應用，可知鉛芯橡膠支座能有效的消耗地震能量，有明顯的減震效果，能大幅度的減小了上部的位移，墩底的剪力和彎矩，避免了支座震害的發生，較普通支座有著明顯的優勢。