引言

桥梁支座是桥梁中负责传力的重要构件,主梁的自重以及主梁上的荷载需要通过桥梁支座传递给下部结构。但在地震中,桥梁支座容易成为薄弱环节,如果处理不当会出现落梁等震害。同时,桥梁支座也在桥梁的抗震设计中发挥着重要的作用,选择合适的桥梁支座可以起到减隔震的作用。

目前,桥梁支座发展出各种形式,如板式橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座等,而使用不同形式的桥梁支座会对地震反应产生不同的影响。因此,研究不同桥梁支座对地震反应的影响将有助于桥梁的抗震设计。

减隔震支座可以延长结构周期、增大阻尼比,从而起到减隔震作用(封伟伟等,2018)。已有针对普通盆式支座、铅芯橡胶支座与摩擦摆支座对简支箱梁桥减震效应影响的研究,验证了减隔震支座在桥梁减隔震中均有明显的作用,摩擦摆支座与铅芯橡胶支座的隔震效果较为接近,但从承载力与耐久性方面考虑摩擦摆支座优于铅芯橡胶支座(蔡成奇,2017)。通过研究桥梁采用盆式支座、水平力分散型支座、阻尼支座、铅芯支座、球型减隔震支座、减隔震盆式橡胶支座时的前5阶模态、周期以及在采用上述支座时,桥梁上、下部结构的位移与内力响应,得出不同支座所适用的桥梁类型(娄小勇,2016)。

上述研究均是基于地震的同1个方向进行分析的,且主要对使用不同支座时桥梁与支座的受力情况进行评判,对支座耗能的研究较少,也未能从能量的角度解释不同支座具有不同抗震性能的原因。

本文基于实际简支小箱梁桥建立的单墩模型,设置板式橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座3种支座形式,选择与规范反应谱频谱特性一致的实际地震记录作为输入,采用时程分析方法研究支座形式对地震时桥梁的支座位移、支座剪力、墩底弯矩、墩底剪力、振型周期的影响,并从周期延长和能量耗散的角度对铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座这2种减隔震支座的减震性能进行比较,为实际工程中的支座选取提出建议。

1 动力计算模型的建立
1.1 结构简介

某简支小箱梁桥如图 1所示(叶爱君等,2017),跨径为30m,桥宽为11m,基础采用2×2的桩基础,桩径1.2m,承台尺寸为5.2×5.2×2m,桥墩高8.5m,纵向宽1.4m,横向宽2.5m,盖梁高度1m,桥墩盖梁与主梁通过支座连接,一跨主梁质量为673.2×103kg。


图 1 小箱梁桥模型 Fig. 1 Model of small box girder bridge
1.2 动力计算模型

针对上述桥梁结构,基于SAP2000程序,建立如图 2所示的单墩模型。其中,盖梁为截面10m×3m、高度1m的杆单元;桥墩为截面2.5m×1.4m、高度8.5m的杆单元;承台为截面5.2m×5.2m、高度2m的杆单元;材料均为C40混凝土。基础采用六弹簧模拟,刚度用桩基础m法计算,纵、横、竖向平动刚度分别为5.047×105kN/m、5.047×105kN/m和7.09×106kN/m,纵、横、竖向转动刚度分别为2.125×107kN/m、2.125×107kN/m和3.331×106kN/m。主梁简化为一质量为6.732×105kg的质点,支座用长度为0.5m的link单元模拟。


图 2 小箱梁桥动力计算模型 Fig. 2 Dynamic calculation model of small box girder bridge
1.3 支座的选用

考虑桥梁的各种荷载组合,主梁对支座的最大压力为1×104kN,分别选用板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座。

(1)板式橡胶支座

根据规范《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》(中华人民共和国交通部,2007),每个墩顶设置2×8个GYZ300板式橡胶支座,其总承载力为10576kN,符合要求。支座的容许剪切位移等于其橡胶片总厚度61mm。

根据板式橡胶支座的刚度计算公式(叶爱君等,2002):

$ K{\rm{ = }}\frac{{GA}}{{\sum t }} $ (1)

其中,G为支座的动剪切模量,现行规范建议取1200kN/m2A为支座的剪切面积,Σt为橡胶片总厚度。计算得出支座并联后总刚度为22250kN/m。

不允许支座滑动时,采用如图 3所示的线性模型,在SAP2000中使用Liner模拟。


图 3 线性模型 Fig. 3 Linear model

(2)铅芯橡胶支座

根据规范《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》(交通运输部,2012),每个墩顶设置2×8个Y4Q420圆形铅芯隔振橡胶支座,其总承载力为16000kN,符合要求。每个支座屈服力为61kN,剪切弹性模量G=1.2MPa,屈服前刚度7.5kN/mm,屈服后刚度1.2kN/mm,水平等效刚度1.5kN/mm,等效阻尼比13.9%。使用图 4所示的双线性恢复力模型,在SAP2000中用Plastic(Wen)模拟,其中Qd为特征强度,Ku为初始弹性刚度,Kd为屈后刚度,Keff为等效刚度。


图 4 双线性恢复力模型 Fig. 4 Bi-liner restoring force model

(3)高阻尼隔震橡胶支座

根据规范《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》(交通运输部,2013),每个墩顶设置2×8个HDR(I)295圆形高阻尼隔震橡胶支座,其总承载力为11264kN,符合要求。每个支座屈服力为33kN,剪切弹性模量G=1.2MPa,初始水平刚度7.81kN/mm,屈服后水平刚度0.92kN/mm,水平等效刚度1.28kN/mm,竖向压缩刚度529kN/mm,等效阻尼比17%。使用与铅芯橡胶支座相似的恢复力模型,在SAP2000中用Plastic(Wen)模拟。

支座的选取如表 1所示。

表 1 支座选型 Table 1 Alternative types of the bridge bearing
2 地震输入

以《城市桥梁抗震设计规范》(中华人民共和国住房和城乡建设部,2011)中的Ⅲ类场地规范反应谱(峰值加速度调为0.4g,特征周期为0.55s)(任爱珠等,2014)为目标,考虑近场地震,选取了7条实际地震记录(峰值加速度调为0.4g)作为后续时程分析的地震输入。图 5为其中1条地震加速度时程曲线,而图 6则是7条实际地震记录拟合得到的地震加速度反应谱与规范反应谱的比较,可见7条实际地震记录的平均反应谱和规范反应谱的频谱特性吻合较好。


图 5 加速度时程曲线 Fig. 5 Acceleration time-history curve

图 6 反应谱曲线 Fig. 6 Response spectrum curve
3 计算结果与讨论
3.1 桥梁地震反应比较

针对上述单墩模型,分别采用7条地震加速度记录,沿纵、横向进行地震输入,进行了桥梁的时程反应分析,计算结果取7条记录的平均值。

表 2列出了横向地震输入下,桥梁的主要地震反应。从支座位移来看,选用板式橡胶支座会使支座位移远远大于其容许的剪切位移(61mm),导致落梁等破坏。而使用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座可将支座位移大大减小至板式橡胶支座1/2的水平,2种支座的位移均小于其容许位移,因此在该工程中可使用铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座,但板式橡胶支座则不符合要求。从桥墩与支座受力的角度看,选用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座均可显著减小墩底剪力与墩底弯矩,而高阻尼橡胶支座的效果更为明显。因此,铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座均有良好的减隔震性能,可以有效地减小地震对桥墩的破坏。综合来看,铅芯橡胶支座在减小支座位移方面更有优势,其位移为板式橡胶支座的44%,高阻尼橡胶支座的位移则为板式橡胶支座的59%。高阻尼橡胶支座的优势表现为减小桥墩与支座的受力,可将剪力与弯矩减小至板式橡胶支座的53%左右,而板式橡胶支座的剪力与弯矩则减小至板式橡胶支座的63%左右。

表 2 横桥向地震反应 Table 2 Bridge respond to transverse earthquake

表 3列出了纵向地震输入下,桥梁的主要地震反应。与横桥向类似,在纵向地震输入下,铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座的地震位移均能满足要求,而板式橡胶支座仍不能满足要求;铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座均可显著减小墩底剪力与墩底弯矩,且高阻尼橡胶支座的效果更为明显。

表 3 纵桥向地震反应 Table 3 Bridge respond to longitudinal earthquake

表 23还表明,虽然桥墩的纵横向刚度差别很大,但桥梁的纵横向主要地震反应差别很小。这是因为支座的横桥向与纵桥向的平动刚度是相同的,且支座刚度明显小于桥墩基础的串联刚度,在地震下,支座、桥墩、基础的串联刚度对地震反应起控制作用,而支座对串联刚度起控制作用。

图 7为3种支座在同1条横桥向地震输入下的位移时程。


图 7 位移时程曲线 Fig. 7 Displacement time-history curve
3.2 桥梁基本周期比较

延长周期是减隔震技术的基本原理之一。因此,为了分析减隔震支座的减震性能,对3种支座设置方式对应的桥梁纵、横向基本周期进行了比较(表 4)。其中,铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座对应的刚度为支座达到最大地震位移时的等效刚度。从表 4结果可见,桥梁的纵、横向基本周期差别较小。与板式橡胶支座相比,高阻尼橡胶支座能略微延长桥梁结构的纵、横向基本周期,而铅芯橡胶支座则反而使结构周期减小了,这是因为使用的铅芯橡胶支座支承力为1.6×104kN,远超过了其它2种支座的承载力。由于板式橡胶支座能提供较好的柔性,与之相比,铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座在延长周期方面效果不明显,甚至,由于支座选型的问题,铅芯橡胶支座还使周期缩短。

表 4 振型周期比较 Table 4 Vibration period comparison
3.3 支座耗能能力比较

耗散能量是减隔震技术的基本原理之二。在3种支座中,板式橡胶支座只能提供柔性,耗能作用基本可以忽略,而铅芯橡胶支座依靠铅芯的屈服耗能,高阻尼橡胶支座依靠材料的粘弹性耗能。因此,有必要对后2种支座在地震下的耗能特性进行比较。

根据之前的计算结果,桥梁的纵、横向地震反应差别不大。因此,本文选取了1条地震记录横向输入工况,分别画出了铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座的滞回曲线,如图 89所示。由图可见,2种支座的滞回曲线都比较饱满。


图 8 铅芯橡胶支座滞回曲线 Fig. 8 Hysteretic curve of LRB

图 9 高阻尼橡胶支座滞回曲线 Fig. 9 Hysteretic curve of HDRB

高阻尼橡胶支座达到的最大位移明显大于铅芯橡胶支座,而2种支座提供的最大剪力十分接近,均为1500kN左右。滞回曲线面积即为支座耗能,经计算,铅芯橡胶支座耗能为807.7kJ,高阻尼橡胶支座耗能847.5kJ,因此,高阻尼橡胶支座在耗能方面更有优势。

图 10进一步画出了铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座的耗能时程,并进行了比较。从耗能时程曲线可以看出,高阻尼橡胶支座的耗能能力大于铅芯橡胶支座,且随时间增长越发明显,这是由于高阻尼橡胶支座的材料粘性较大,因此阻尼大,吸收能量的能力更强。


图 10 耗能时程曲线 Fig. 10 Energy dissipation time-history curve
4 结论

本文针对简支小箱梁桥,对3种支座的减隔震性能进行了分析,得到以下结论:

(1)在抗震设防烈度Ⅷ度、最大加速度0.4g时,板式橡胶支座不能满足抗震需求,会出现支座位移过大造成的落梁现象以及桥墩受力过大造成的破坏。

(2)铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座均能显著减小桥梁地震反应,铅芯橡胶支座对支座位移的减小更明显,而高阻尼橡胶支座可以更好地减小支座与桥墩受力。

(3)从支座耗能的角度来看,铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座均有很好的耗能能力。

(4)铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座在延长结构周期方面效果不明显,说明减隔震支座减小地震反应主要依靠其耗能能力。

(5)考虑到铅芯橡胶支座的刚度与支承力普遍较大,即使使用了尺寸最小的Y4Q420,支承力仍远远超出设计支承力,在受力角度方面不如高阻尼橡胶支座能够充分发挥其承载能力。

参考文献
中华人民共和国交通部, 2007.JT/T 663-2006公路桥梁板式橡胶支座规格系列.北京: 人民交通出版社.
蔡成奇, 2017. 减隔震支座对现浇箱梁桥减震效应的影响[J]. 福建交通科技, (6): 49-52.
封伟伟, 孙广婧, 2018. 桥梁减隔震支座设计实例分析[J]. 市政技术, 36(1): 71-74. DOI:10.3969/j.issn.1009-7767.2018.01.025
交通运输部, 2012.JT/T 822-2011公路桥梁铅芯隔震橡胶支座.济南: 人民交通出版社.
交通运输部, 2013.JT/T 842-2012公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座.济南: 人民交通出版社.
娄小勇, 2016.梁桥抗震设计与支座性能分析研究.西安: 长安大学. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10710-1016749697.htm
任爱珠, 许镇, 纪晓东, 等, 2014. 防灾减灾工程与技术[M]. 北京: 清华大学出版社.
叶爱君, 管仲国, 2002. 桥梁抗震[M]. 2版. 北京: 人民交通出版社.
叶爱君, 方家欣, 张少为, 等, 2017. 小箱梁桥横向减震体系及其耗能特性[J]. 中国公路学报, 30(12): 21-29. DOI:10.3969/j.issn.1001-7372.2017.12.003
中华人民共和国住房和城乡建设部, 2012.CJJ 166-2011城市桥梁抗震设计规范.北京: 中国建筑工业出版社.