不同支承體系的橋梁結構在地震作用下的響應分析

孫梗梗 張 舜

1寧夏拱業建設工程有限公司（750004） 2 寧夏大學土木與水利工程學院（750021）

1 板式橡膠支座體系與鉛芯減震隔震橡膠支座體系

一般的梁式橋梁結構由三個部分構成，即上部結構、下部結構及支座。 常見支座又可分為板式橡膠支座與減震隔震支座。常見的普通支座以普通板式橡膠支座為代表，常見的減震隔震支座以鉛芯減震隔震橡膠支座、盆式支座等為代表[1]。

1.1 板式橡膠支座

在我國大部分梁橋體系中，板式橡膠支座體系最為常見。 一聯兩端設置聚四氟乙烯滑板支座，一聯除聯端其余位置或簡支體系梁端均設置普通板式橡膠支座。聚四氟乙烯滑板支座的設置部位使得梁結構在溫度等作用下產生位移，避免結構成為超靜定體系，進而消耗能量避免結構破壞。 普通板式橡膠支座在縱橋與橫橋向對梁體有一定的約束力，且該結構體系僅在線彈性階段正常工作。若達到非線性階段則意味該體系已被破壞，而結構不能產生足夠的變形則無法吸收外部激勵所疊加的荷載。

1.2 鉛芯減震隔震橡膠支座

鉛芯減震隔震橡膠支座常用于橋梁體系，在跨徑較為適中的體系最為常見。減震隔震支座工作原理多種多樣，但工作目的基本相同。 該類型支座在普通板式橡膠支座基礎上進行改進，以達到減震隔震作用。在普通板式橡膠支座內部加入一根或多根高純度的鉛芯，當外部激勵作用時，內部鉛芯發生剪切變形以達到耗能目的，使得上下部結構均處于彈性階段，以保護上下部結構免受傷害[2]。

2 不同支承體系動力響應分析

2.1 橋梁支撐體系的更換

現以西北地區一國道橋梁（如圖1 所示）為例進行分析。該橋上部結構3 m×20 m×2 m。 主梁為預應力空心板，下部結構為框架墩，該結構體系原采用直徑為250 mm 圓形板式橡膠支座， 單個支座豎向承載極限為452 kN，每跨共20 片預應力空心板，單跨所需豎向承載力為36 160 kN。 現保持原橋上部結構及下部結構不變，將原有板式橡膠支座模擬方式更改為鉛芯隔震橡膠支座。 更改為40 個鉛芯隔震橡膠支座，其型號為Y4Q520×133G1.0，支座直徑為420 mm，豎向承載極限為1 000 kN，初始剛度為6.4 kN/mm， 屈服極限為61 kN， 屈服剛度為1.0 kN/mm。

圖1 實例橋梁構造圖

2.2 結構體系動力特性分析

對更改支座后的有限元模型進行動力特性分析。 結構體系周期縮短，頻率增加，進而可以得知結構剛度有所增大。 由于原有結構采用普通板式橡膠支座，一聯豎向承載力為108 480 kN，在靜力的作用下每聯整體縱向與橫向剛度均為351 840 kN/m。每聯結構體系鉛芯隔震橡膠支座豎向承載極限為120 000 kN， 在靜力作用下其縱向與橫向剛度為768 000 kN/m。 經過有限元軟件分析，得到原結構體系前三階頻率分別為1.95 Hz、2.06 Hz、2.10 Hz。更改支座后結構前三階頻率分別為2.50 Hz、2.76 Hz、2.77 Hz。

由上可得更換支座后，原有結構在水平向剛度小于更改后體系，有限元模型與實際規律符合。 但所更換鉛芯減震隔震橡膠支座型號為現有規范最小型號，依舊與原結構體系剛度有所差距[3]。 但通過下部結構內力分析及支座處位移才可看出二者差異。

3 不同支承體系地震響應特性

本橋為B 類橋梁，抗震重要性系數根據規范設定為1.7。橋址所在地為設防8 度，場地類別為Ⅱ類，加速度峰值為0.2 g，即本橋有限元模型時程函數峰值應為0.34 g。 記錄計算后各個橋墩墩頂、墩底、樁基內力最大處的內力值及各個支座處的位移大小。

3.1 下部結構各關鍵節點內力

通過有限元計算得到兩個模型計算結果較為接近， 其下部結構軸力值均在2 800～3 100 kN，剪力值在550～650 kN，墩頂彎矩在1300 kN·m 左右。各個關鍵節點內力均通過截面驗算，達到安全要求。

現比對不同支承條件下的橋墩墩頂、 墩底、樁基處軸力、剪力、彎矩的比值（如圖2 所示）。

圖2 15#墩不同支承內力比值

圖2 為普通板式橡膠支座各關鍵節點與鉛芯減震隔震橡膠支座對應節點內力比值。 很明顯，二者軸力比值差異可忽略不計，而剪力與彎矩稍有差異。

3.2 支座處各節點位移

不同支承體系的橋梁結構在地震作用下，各個截面處節點位移見表1。

表1 不同支承體系支座處位移

由表1 可知，在相同的外部激勵作用下，普通板式橡膠支座產生的位移大于鉛芯減震隔震支座，普通板式橡膠支座產生最大位移為2.2 cm，而鉛芯減震隔震支座最大位移僅為1.1 cm。

4 不同支承條件下結構響應分析

4.1 內力分析

在水平地震作用下，下部結構的軸力主要體現在自重方向，故而受外部激勵較小。

鉛芯減震隔震支座體系下剪力大于另一體系。在兩種支座承載力接近的情況下，鉛芯減震隔震支座水平向剛度大于普通板式橡膠支座，故而在剪力傳遞過程中，減震隔震支座耗能較小，剪力稍大。

減震隔震體系中，下部結構彎矩稍小。 在截面驗算中，由PM 曲線可知，受壓情況下，軸力大小一定，彎矩越小越安全。

4.2 位移分析

在相同外部激勵作用下，下部結構截面均通過截面驗算，且數值較為相近，但支座處位移差異較大，其中普通板式橡膠支座位移較大，鉛芯減震隔震橡膠支座位移較小。 外部激勵能量相同，下部結構體系內力差異可忽略不計，則支座處的能量差異較小。 通過有限元計算與支座工作原理可知，減震隔震支座通過變形消耗能量， 使得支座處位移較小，而普通板式橡膠支座無法通過耗能而減小位移。

5 結語

相同結構采用不同支承體系在外部激勵作用下會產生不同的情況。 減震隔震支座可以有效消耗外部傳遞能量， 以避免結構體系發生較大位移，同時保護下部結構與上部結構。 以確保橋梁結構在地震作用下的安全性。