铅芯橡胶支座对桥梁横向抗震减碰影响分析

郭 超 刘文会 赵启琛 刘长彬

（吉林建筑大学 交通科学与工程学院，长春 130118）

0 引言

由于我国位于环太平洋地震带与欧亚大陆地震带之间,它们是目前全球各个大陆性地区中最活跃的地震带之一,并且它们都具有频率高、强度大且分布广等基本优势[1]。桥梁作为人类发展历程和交通连接中不可替代的基础设施，它的安全性与可靠性对经济的发展及人类生命财产安全有着重要影响。如今我国桥梁总量已经十分巨大，其中中小跨径桥梁约占我国总桥梁数的93.5%[2]。此类桥梁通常选择采用板式的橡胶支座,主梁直接放在支座上,通过盖梁两侧的挡块限制在强烈地震的作用下主梁的横向位移,防止主梁的横向坠落。

大量公路桥梁震害资料表明，地震导致的横向碰撞震灾是不可忽视的[3-4]。本文以我国西北部典型的公路桥梁为例，通过opensees 探讨了铅芯橡胶支座对公路桥梁的减碰效果。

1 工程概况

1.1 实例桥梁

以我国西北部典型的一座3 30m 公路桥梁为例。主梁采用强度等级为C50 混凝土，盖梁及桥墩采用C30 的混凝土。主梁截面采用单箱双室，主梁高1.8m、主梁宽12m；盖梁尺寸为9.3m 1.6m 1.8m，盖梁两侧设置钢筋混凝土挡块；桥墩为圆形钢筋混凝土双柱墩，墩高10m，直径1.5m。

1.2 地震动的输入

为了更加准确的模拟地震动并且评价抗震减碰效果，本文根据所选桥梁的实际工程场地背景进行地震波的选取。根据《公路桥梁抗震设计细则》[5]，从太平洋地震工程研究中心数据库（PEER Ground Motion Database）中选取3条实际地震波记录，选取3 条地震动中最大的一条进行地震响应分析。本文主要研究铅芯橡胶支座在地震作用下对桥梁横向抗震减碰效果，地震动只沿横桥向进行输入。

2 有限元模型

2.1 全桥有限元模型

本文采用OpenSees 建立全桥模型。主梁和盖梁采用弹性梁柱单元（element elasticBeamColum）；桥墩采用非线性梁柱单元（element nonlinearBeamColum），墩柱内非约束混凝土不考虑混凝土的抗拉强度，用concret01 模拟;约束混凝土用concret04 模拟;混凝土桥墩的约束钢筋采用Giuffre-Menegotto-Pinto 本构模型，用steel02 进行模拟;基础部分采用固端约束。

2.2 支座的模拟

本文主要研究铅芯橡胶支座在地震作用下对桥梁横向抗震减碰效果，因此选用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座分别建模，在全桥其他参数和所加地震波都相同的基础上，对比两种支座在横向抗震减碰上的优势。

板式橡胶支座采用弹性支座单元模拟，其力学性能如图1 所示；铅芯橡胶支座选用非线性分析模型中的双折线模型[6-7]来模拟本文所用到的铅芯橡胶支座，其双折线模型曲线如图2 所示，可得到双折线模型可以完全由弹性刚度k1、屈服剪力Q、屈服刚度K2来表示，在 opensees 中用steel01 来模拟。

图1 板式橡胶支座力学性能

图2 双折线本构曲线

2.3 挡块的模拟

桥梁挡块作为在地震作用下限制主梁位移、防止横向落梁的主要构件，在有限元软件中的准确模拟非常重要。本文选取《钢筋混凝土挡块抗震性能及改进试验》[8]中试验的钢筋混凝土挡块，作为本文桥梁所用的挡块，试验得到的相关参数，如表1 所示。其力学性能模型采用三折线简化滞回模型[9]，如图3 所示。

图3 挡块简化滞回曲线模型

Opensees 中没有直接能够模拟钢筋混凝土的材料本构，由于要模拟碰撞挡块受压和主梁与挡块之间的间隙，本文采用ElasticPPGap(Elastic-Perfectly Plastic Gap Material)材料进行模拟。通过对多个ElasticPPGap 材料数值的设置，并用Parallel 材料来并联在一起组合成钢筋混凝土简化模型。

表7 挡块参数

3 铅芯橡胶支座横向抗震减碰效果分析

为了研究铅芯橡胶支座对公路桥梁横向的抗震减碰效果，进一步分析了相同前提条件下使用普通板式橡胶支座和使用铅芯橡胶支座两种计算模型对比值。以3 条地震波中响应的最大值为代表值，分析了在相同结构条件下，主梁横向位移时程曲线，如图4 所示。相比于使用板式橡胶支座的工况，使用铅芯橡胶支座的主梁最大位移为75mm，而使用板式橡胶支座的主梁最大位移为96mm，可以看出铅芯橡胶支座能够有效地限制主梁横向位移；图5为采用铅芯橡胶支座和采用板式橡胶支座所产生的墩顶位移时程对比曲线，采用板式橡胶支座所产生的最大墩顶位移为14mm，采用铅芯橡胶支座所产生的最大墩顶位移为5mm 降低了64%。说明铅芯橡胶支座能够有效地限制主梁横向位移和墩顶位移。

图4 主梁横向位移

图5 墩顶位移

图6 和图7 分别是使用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座#1 墩和#2 墩所在位置主梁与挡块的碰撞力时程，由图6 可以看出#1 墩位置采用铅芯橡胶支座的计算模型主梁与挡块的最大碰撞力为68KN，相比于采用板式橡胶支座的计算模型主梁与挡块产生的最大碰撞力89KN，降低了24%，并且碰撞次数也有所减少；由图7 可以看出#2 敦位置采用铅芯橡胶支座的计算模型主梁与挡块的最大碰撞力为49KN，相比于采用板式橡胶支座的计算模型主梁与挡块产生的最大碰撞力98KN，降低了50%，并且碰撞次数也有所减少。说明铅芯橡胶支座能够有效地减小主梁与挡块的碰撞力和碰撞次数。

图6 #1 墩主梁与挡块碰撞力

图7 #2 墩主梁与挡块碰撞力

4 结论

（1）使用铅芯橡胶支座能够使中小跨径公路桥梁的主梁横向位移显著降低，并且能够减小墩顶位移。

（2）采用铅芯橡胶支座还可以有效地减小主梁与挡块的碰撞力以及碰撞次数，横向抗震减碰效果十分理想，且铅芯橡胶支座也属于经济适用的桥梁支座，便于工程使用。