橋梁橡膠支座對抗震性能的影響分析

閆 玲

(太原市政建設(shè)集團(tuán)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(shù)和工程技術(shù)的不斷發(fā)展，橡膠支座被廣泛用于橋梁的抗震設(shè)計。本文結(jié)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(gòu)造

在現(xiàn)代橋梁建設(shè)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(yīng)用最為廣泛，性能較優(yōu)。在眾多橋梁支座種類中，橡膠支座因其實用性好、抗震性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于世界各種抗震需求大的橋梁建設(shè)中。通常情況下，橡膠支座是由薄鋼板和薄橡膠板經(jīng)過高溫硫化處理后交替結(jié)合粘結(jié)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(yōu)點與缺點。天然橡膠的抗凍性和彈性都優(yōu)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(yōu)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(jīng)過高溫硫化粘結(jié)處理后，橡膠層和鋼板層之間的粘結(jié)十分緊密。因此，當(dāng)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(qiáng)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(xiàn)階段，能夠用于橋梁建設(shè)的橡膠支座種類繁多，橋梁設(shè)計單位和橋梁建設(shè)單位必須要對橋梁的建設(shè)環(huán)境以及使用環(huán)境進(jìn)行具體的考察，然后才能科學(xué)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(qiáng)度、橋梁的橫向坡度、橋梁縱向坡度、橋梁設(shè)計載荷、氣候，重點是要考慮橋梁的地震條件和結(jié)構(gòu)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(jìn)而設(shè)計出科學(xué)準(zhǔn)確的橡膠支座參數(shù)。

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(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計算。具體可以按照如下步驟進(jìn)行：首先，在設(shè)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(zhuǎn)角，此外，還應(yīng)該準(zhǔn)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(shù)，反力、位移、轉(zhuǎn)角縱向水平力和橫向水平力在最不利的條件下進(jìn)行組合。最后，基于各個橋梁參數(shù)最不利條件下的組合，推算橋梁橡膠支座的參數(shù)。此外，在橋梁橡膠支座的設(shè)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(zhì)、截面尺寸、支座布置和數(shù)量等因素。

2 橋梁橡膠支座的力學(xué)性能分析

鉛銷橡膠支座是一種橋梁建設(shè)過程中應(yīng)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(chǎn)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(dāng)橋梁的水平力較小時，由于橡膠支座具有相對較強(qiáng)的初始剛度，橡膠支座的變形很??；然后，當(dāng)發(fā)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(jié)構(gòu)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(yōu)良的橋梁抗震裝置。

橡膠支座已經(jīng)大量應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁建設(shè)過程中，并且起到了良好的抗震作用。經(jīng)過大量實際工程經(jīng)驗和試驗測試表明，在鉛銷橡膠支座中設(shè)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(yōu)良性能，能夠十分穩(wěn)定地吸收外部能量。并且，隨著橋梁鉛銷橡膠支座的進(jìn)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(chǎn)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(jīng)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(huán)境中工作。因此，橋梁鉛銷橡膠在選材和功能設(shè)計中必須要充分考慮到橋梁能夠長期使用，保持橋梁的穩(wěn)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(fā)生地震等不可抗拒的自然災(zāi)害時，橋梁鉛銷橡膠支座一定要能夠應(yīng)對較大的應(yīng)變力，以便于充分發(fā)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(guān)鍵?；谙嚓P(guān)橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，普通的橋梁鉛銷橡膠支座應(yīng)該按照相應(yīng)豎向承載力的要求或者更安全的標(biāo)準(zhǔn)選取橋梁鉛銷橡膠支座材料和設(shè)計功能。

2)平時水平荷載抵抗能力。

由于地震等自然災(zāi)害具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不可預(yù)測性，因此在設(shè)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(jié)構(gòu)承受的風(fēng)力和制動力的水平力之和。而在發(fā)生地震等自然災(zāi)害時，又要保證橋梁鉛銷橡膠支座產(chǎn)生較大的變位，以抵消高強(qiáng)度外部能量。

3)徐變壓縮量。

在橋梁上部結(jié)構(gòu)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(fā)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(shè)計中，還應(yīng)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(nèi)。

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(fā)生時，會受到地震力的來回往復(fù)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(shù)必須在一定范圍內(nèi)。經(jīng)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(shù)實際值域設(shè)計值之間的偏差量必須要控制在4%～10%之間。嚴(yán)格控制鉛銷橡膠支座的等效剛度和等效阻尼常數(shù)是因為這兩個參數(shù)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(shù)符合要求，當(dāng)發(fā)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(jié)構(gòu)，能夠保持橋梁的穩(wěn)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(shù)超出設(shè)計值范圍10%以上，就會導(dǎo)致地震發(fā)生時，橋梁減震作用不足，影響橋梁整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2)承受地震作用的能力。

相關(guān)規(guī)定中已經(jīng)明確指出，橋梁鉛銷橡膠支座必須能夠承受住50次連續(xù)的正負(fù)反復(fù)荷載作用與剪切變位。因此，在設(shè)計橋梁鉛銷橡膠支座，要充分論證支座的抗正負(fù)反復(fù)荷載作用與剪切變位，力求在高強(qiáng)度的載荷作用與剪切變位作用下，支座不發(fā)生損壞，不影響橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shè)中普遍采用梁氏結(jié)構(gòu)，橋梁的支座也大量應(yīng)用橡膠支座。因此，本節(jié)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(jié)構(gòu)地震對控制參數(shù)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(yīng)用橋梁鉛銷橡膠支座的私地震反應(yīng)；SRB為未應(yīng)用橋梁鉛銷橡膠支座的地震反應(yīng)。已有研究成果表明，如果橋梁設(shè)計的基準(zhǔn)期是50年內(nèi)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(shè)計的基準(zhǔn)期是50年內(nèi)能夠抵御的地震烈度是2%以上時，即L2等級地震，適當(dāng)?shù)募哟髽蛄恒U銷橡膠支座的阻尼系數(shù)，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(biāo)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(guān)鍵因素之一。接下來，以墩高9 m的三跨20 m連續(xù)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(guān)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(jī)構(gòu)以及支座與橋梁各個結(jié)構(gòu)的關(guān)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(guī)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(jié)構(gòu)不會受到嚴(yán)重?fù)p壞。

2)橋墩支座鉛銷面積對減震率的影響。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)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(xiàn)。這說明，合理配置各個墩臺的鉛銷面積能夠調(diào)節(jié)整個橋梁的抗震性能，但是這種調(diào)節(jié)只能是在一定限度內(nèi)進(jìn)行。

4 結(jié)語

橋梁的抗震性是橋梁設(shè)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(fā)，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。