铅销橡胶支座对桥梁抗震性能的影响

【摘要】地震是一种破坏性较强的自然灾害，如何通过科学技术手段减少地震对建筑物的损害程度是当今研究的一个重点问题。本文从设计角度出发，对铅销橡胶支座对桥梁抗震性能的影响进行了分析，希望本文的研究对今后的设计有所帮助。

【关键字】铅销橡胶支座、地震破坏、抗震性能、桥梁

中图分类号：K928文献标识码： A

一、前言

桥梁抗震问题一直是桥梁施工中的重点问题，铅销橡胶支座增强桥梁的抗震性能近年来应用十分广泛，下面请和笔者一起来分析探讨。

二、桥梁结构可靠性研究的重要性

桥梁结构的可靠性主要包括桥梁的耐久性、安全性以及实用性，桥梁结构可靠性设计的主要目标是在已经知道桥梁结构承受外在负载的前提条件下，依据相关的可靠性指标，选择桥梁结构的各个几何参数，对桥梁结构进行详细的设计研究，从而使得设计完成的桥梁结构能够在预先规定的条件和时间内，其可靠度不低于给定的可靠性参数。

目前，在我国的桥梁结构设计过程中还存在着很多的问题，比如重视桥梁结构的强度而轻视耐久性以及重视桥梁结构的建造而轻视养护和检测，从而使得桥梁结构在安全性以及使用寿命方面都存在着一定的缺陷和隐患。最近几年来，由于部分桥梁结构出现了变形、开裂等部件损坏情况以及地震等自然灾害的产生，在我国已经发生了多次桥梁坍塌的事件，从而严重影响到了人们的人身安全和财产安全。因此，为了保证桥梁的安全使用以及延长桥梁的使用期限，就必须从设计中就重视桥梁的安全性和耐久性研究，在考虑桥梁结构的负载能力以及使用性能的基础上，减少桥梁可能产生的病害，并对各种可能的自然灾害做好预防设计，从而保证桥梁使用的安全性。

一般来说，桥梁使用的安全性受多个方面因素的影响，要保证桥梁结构的安全长久使用，就必须从质量、管理、养护以及加固和修复这四个方面来对桥梁结构进行建设。我国桥梁结构耐久性不足所产生的后果主要包括有：一是混凝土的开裂、侵蚀、渗透、磨损以及破碎等；二是钢筋的疲劳、脆化以及锈蚀等；三是混凝土与钢筋之间粘接部分的锚固作用削弱以及注浆不密实等。

三、铅销橡胶支座简介

铅销橡胶支座是由用来支承荷载的层状橡胶、钢板及用于吸收耗能量的铅销组合而成。铅销提供了地震下的耗能和静力荷载下所必须的屈服强度与刚度,在较小水平力作用下,因具有较强的初始刚度,其变形很小;在地震作用下,由于铅销的屈服,一方面消耗地震能量,另一方面,刚度降低,可以达到延长结构周期的目的。因而铅销橡胶支座满足一个良好隔震系统所应具备的要求。

有关试验结果表明,铅销橡胶支座的滞回曲线如梭形,图形呈反对称,可用双线性曲线近似描述;屈服后刚度比初始刚度小很多,具有很好且稳定的吸收耗能的能力。铅销橡胶支座的滞回曲线所包围的面积随铅销的直径或个数的增加进一步增加;此外,随着变形量的逐步加大,支座的滞回面积也逐步加大。这种现象说明,铅销橡胶支座在交变剪切荷载作用时,消耗于支座的变形功大于卸载时支座放出的变形功,一部分变形功被支座所吸收耗散。而这种吸收耗散能量的功能,可以通过调节铅销的尺寸或截面积、支座的变形量或高度来选定,因而使铅销橡胶支座的设计具有较大的灵活性。

四、铅销橡胶支座的力学性能

1、铅销橡胶支座的静力特性：桥梁是露天结构物，采用的铅销橡胶支座在材料、功能上应能够长期稳定，因此铅销橡胶支座应具有以下静力特性。

（1）竖向承载能力

铅销橡胶支座一般需要较大变位来充分发挥减震耗能作用，竖向承载能力应根据《标准》中普通板式橡胶支座竖向承载力的规定按照相同或更安全的原则从平面尺寸的系列规格中选取。

（2）平时水平荷载抵抗能力

地震的随机性、偶然性和不确定性，使铅销橡胶支座的屈服荷载应由设计来确定，使其大于平时作用于上部结构的风、制动力等(地震作用除外)水平力之和；而当地震发生时，又保证其可以产生大的变位。

（3）徐变压缩量

在上部结构恒载竖向力的持久作用下，铅销橡胶支座的橡胶隔离体会产生徐变变形而使上部结构下沉造成路面不平。减震设计中，应使铅销橡胶支座在竖向荷载作用下的徐变量控制在橡胶总厚度的5％以下。

2、铅销橡胶支座的动力特性：铅销橡胶支座在地震发生时将受到地震力的往复作用，因此支座在地震产生的反复荷载作用下应具有以下动力特性：

（1）合适的刚度和阻尼

铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数的平均值与设计值的差应在4-10％的范围内。这是由于最终的减震效果是由铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数决定的。当铅销橡胶支座的等效刚度和等效阻尼常数的平均值与设计值的差控制在±10％以内时，桥梁上部结构的加速度、变位等的变化幅度在使用中不会产生问题。

（2）承受地震作用的能力

铅销橡胶支座在50次连续的正负反复荷载作用、剪切变位为有效设计变位的情况下，性能必须稳定，支座不得损坏。

（3）正的切线刚度

铅销橡胶支座应具有正的切线刚度。即使在大的地震发生时，支座的响应进入了非线性区域而产生了大的变形也要求铅销橡胶支座具有正的切线刚度。

五、铅销支座面积对减震效果的影响

结合我国梁式桥现在已广泛采用普通橡胶支座(RB)这一实际情况,把铅销橡胶支座的减震率定义为采用铅销橡胶支座时桥梁结构的地震反应与采用普通橡胶支座时桥梁结构的地震反应相比降低的百分比,结构地震反应的控制参数为桥墩的墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩,故减震率是包括这3个方面的统一体,用公式表示为：

η=(SLRB-SRB)/SRB(1)

式中η为减震率(%);SLRB为采用铅销橡胶支座时结构的地震反应;SRB为采用普通橡胶支座时结构的地震反应。根据已有的研究,对于采用铅销橡胶支座进行减震的桥梁,在L1等级地震作用(在设计基准期50年内地震烈度的超越概率为63.2%)时,铅销橡胶支座的减震效果不明显;在L2等级地震作用(在设计基准期50年内地震烈度的超越概率为2%~3%)时,适当的铅销橡胶支座加大了桥梁结构的阻尼,可使地震作用减小30%以上,故本文把减震目标确定为L2等级地震作用时实现30%的减震率。

从前面分析可知,支座的铅销面积是影响铅销橡胶支座减震效果的显著性因素之一,现以墩高9 m的三跨20 m连续梁桥为例,分析支座铅销面积与减震率的关系,取抗震设防烈度为8°,场地土为Ⅰ类。支座的铅销面积以铅销直径的形式表示,Da,Dp分别表示桥台、桥墩支座铅销直径。

1、桥台支座铅销面积对减震率的影响

经过对桥梁的分析可以看出,桥台的减震率随桥台支座铅销面积的增加先增大后减小;桥墩的减震率随桥台支座铅销面积的增大而增大,但增大幅度越来越小。

2、桥墩支座铅销面积对减震率的影响

随桥墩支座铅销面积的增加而增大;桥墩的减震率随桥墩支座铅销面积的增加先增大后又减小。因此,改变各墩台支座铅销面积可以相应改变各墩台的减震率,即改变各墩台支座的铅销面积比可以调节全桥总体减震效果在各墩台上的分配,亦即调节位移和内力响应大小在各墩台之间的分配,但由于铅销橡胶支座的铅销面积与橡胶面积之比较小,因此这种调节作用只能在一定限度内进行。

六、铅销橡胶支座的设计标准化

为了保证铅销橡胶支座的有效性，同时也为了设计和安装的方便性，需要对橡胶支座中配置的铅销进行标准化设计。第一，在橡胶支座中使用的铅销必须要能够减轻桥梁水平方向上形成的应力；第二，铅销橡胶支座在遇到水平地震作用力时产生的应变应保证不超过2.5；第三，铅销橡胶支座中的铅销高度与直径的比例应当在1.25-5之间。每一次进行铅销配置之后，都需要对铅销橡胶支座的刚度进行计算，获得准确的阻尼参数。同时，根据桥梁实际的情况，对于桥梁恒载作用下的制作应力和承载力的关系进行计算，以此来获得桥梁的原始固有周期。只有对上述标准严格的执行，才能保证铅销橡胶支座的抗震性能充分发挥，并且与桥梁的减震需求相结合，从而得到标准的设计图。

七、结束语

通过本文的分析可知，铅销橡胶支座对桥梁的抗震性能有很大的影响，因此在设计过程中，要对影响进行具体分析，设计出减震性能好的产品，标准化设计，科学化生产。

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