橡膠支座連續(xù)梁橋地震力計算方法（一）
發(fā)布時間：2010-01-14 共1頁
關(guān)鍵飼：橋梁；橡膠支座；聚四氟乙烯滑板支座；時程分析
近年來，國內(nèi)外發(fā)生了幾次地震，作為生命線工程的橋梁遭受了嚴重破壞。在阪神地震中，專門對支座的破壞及其與上部、下部結(jié)構(gòu)破壞之間的關(guān)系進行了詳細調(diào)查，調(diào)查表明，支座對橋梁整個結(jié)構(gòu)響應的影響十分重要，在實際地震作用下，支座與上部、下部結(jié)構(gòu)的相互作用比較復雜，支座的破壞往往會改變上部、下部結(jié)構(gòu)間的傳力狀況，也改變整個結(jié)構(gòu)的響應。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設計中，必須對支座在地震作用下的性能有明確的認識，才能正確把握結(jié)構(gòu)的響應。我國目前《公路工程抗震設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)對連續(xù)梁橋中板式支座地震力的計算規(guī)定如下：1、對于全聯(lián)均采用板式支座的連續(xù)梁橋，上部結(jié)構(gòu)對板式支座頂面產(chǎn)生的縱向水平地震力按《規(guī)范》公式4．2．6-1計算；2、連續(xù)梁橋一聯(lián)中一個或幾個墩采用板式支座，其余均為聚四氟乙烯滑板支座，上部結(jié)構(gòu)對板式支座頂面處產(chǎn)生的水平地震力可按《規(guī)范》公式4．2．6-4計算，其值如小于按式4．2．6-l的計算值，應按式4．2．6-1計算，公式中變量含義見《規(guī)范》條文。
由上述規(guī)定可知，存在以下一些缺點：1、對橋梁中使用的滑板支座在地震作用下的預期性能如何沒有明確的規(guī)定，由《規(guī)范》給出的兩個計算公式可知，前者將滑板支座看作板式支座計算，即不發(fā)生滑動．后者按滑板支座均發(fā)生滑動計算，計算結(jié)果取兩者中的最值；2、由式4，2， 6-4知，滑扳支座對板式支座地震力的影響，《規(guī)范》只簡單地以靜力方法加以考慮．而在實際地震中，由于滑板支座發(fā)生滑動，—方面改變了結(jié)構(gòu)的剛度，從而改變了結(jié)構(gòu)的反應特性，另一方面，在滑動過程中，滑板支座消耗量地震能量，降低了整個結(jié)構(gòu)的響應。
鑒于上述原因，本文對這類橋型在地震作用下的縱向動力特性進行分析，了解其相互作用的機理建立合理分析方法提供依據(jù)。
1．橡膠支座連續(xù)梁橋縱向動力特性計算分析
1．1 模型建立
根據(jù)文獻[3]對橡膠支座在地震力作用下的性能研究可知，扳式橡膠支座的滯回曲線為狹長條形，可近似為線彈性，見圖l所示。在近幾年，國內(nèi)外對聚四氟乙烯滑板支座的滯回特性，進行了量試驗與理論研究〔3，4〕，研究結(jié)果表明：①聚四氟乙烯滑板支座的滑動摩擦系數(shù)受加速度的影響比較小，而是隨滑動速度的增加迅速增加，當速度達到一定數(shù)值后，摩擦系數(shù)趨于常數(shù)；②與所受壓應力小有關(guān)系，隨壓應力增加，滑動摩擦系數(shù)值減小，同時也與接觸面的光滑程度、是否添加潤滑物有關(guān)，試驗測得滑動摩擦系數(shù)值變化范圍在0．0l一0．20左右；③通過對試驗結(jié)果的理論分析表明，盡管滑動摩擦系數(shù)值隨上述諸多因素變化而變化，但當滑動摩擦系數(shù)值選取適當時，采用常摩擦系數(shù)值的庫侖模型進行分析，仍可得到很好的計算結(jié)果（4）。
本文的分析是借助于DRAIN-2DX軟件來進行的。橋面板、墩、柱均采用平面梁單元描述，支座用連接單元來描述。其滯回模型采用圖1、2所示模型。
1．2 算例分析
以一個板式橡膠支座其余均為聚四氟乙烯滑板支座的等高等跨連續(xù)梁橋分析．分別對一聯(lián)三跨、五跨、七跨連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)對墩頂板式支座縱向地震力進行計算分析，跨徑均為20m、墩高均為5rn，主梁采用單箱單室截面形式，面積為2．7m2，豎向剛度為0．522m4，橋墩直徑均為1．2m的圓形截面，阻尼比為5％．在算例中將板式橡膠支座都放置在l號墩，板式支座水平剪切剛度為K＝5．3MN·m-1，其余均為聚四氟乙烯滑扳支座，其初始水平剪切剛度取為K＝5．3MN·m-1．圖3給出三跨連續(xù)粱橋的模型，五跨、七跨連續(xù)梁橋模型與之類似．基于上述模型，分別對影響板式支座縱向地震力的各參數(shù)進行分析，這些參數(shù)有：地震動特性的影響，采用依據(jù)規(guī)范Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地反應譜分別合成的人工波來考慮；地震烈度的影響，考慮7、8、9三類烈度水平的影響；聚四氟乙烯滑板支座的滑動摩擦系數(shù)值不同的影響，摩擦系數(shù)值根據(jù)試驗結(jié)果分別為0．02，0．05，0，10，0．15，0．20。
1．2．1 摩擦系數(shù)對板式支座剪力的影響
圖4a，b分別給出了對于三跨、五跨、七跨連續(xù)梁橋在Ⅰ、Ⅳ類場地，不同烈度水平地震作用下的計算結(jié)果．從圖中可以看出，在Ⅰ類場地條件，上部結(jié)構(gòu)傳給板式支座的地震力受滑板支座摩擦系數(shù)變化的影響不；在Ⅳ類場地條件下，則隨摩擦系數(shù)的增加而降低．同時在圖中標出在低烈度水平地震作用及不同摩擦系數(shù)值下，存在部分滑板支座發(fā)生滑動的情況．
1.2.2 板式支座剪力隨跨數(shù)增加的變化規(guī)律
圖5給出連續(xù)梁橋在Ⅱ類場地不同烈度水平地震作用下，隨跨數(shù)變化的計算結(jié)果.從圖中可知、,上部結(jié)構(gòu)傳給板式支座的地震力隨跨數(shù)增加僅略有增加．圖中同時給出了按《規(guī)范》公式4．2．6-1．4．2．6-4計算的結(jié)果，其中，在按《規(guī)范》公式4，2．6-4計算時，摩擦系數(shù)取0．02．對于常用的滑板支座，其摩擦系數(shù)值通常在0．02—0．06之間，由計算結(jié)果可知，按4．2．6-1計算結(jié)果與時程分析結(jié)果比較接近，變化規(guī)律也與時程分析結(jié)果類似，但有時所得結(jié)果偏低．按《規(guī)范》公式4．2．6-4計算，因《規(guī)范》規(guī)定局≥0．3，p1d=0.02,可知隨跨數(shù)增加板式支座剪力迅速增加，并隨烈度增加而增，但由圖5知，時程分析結(jié)果并不呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，而隨跨數(shù)增加，僅略有增加.如果在4．2．6-4式中使用滑板支座所具有的實際摩擦系數(shù)值計算,則有時會得到板式支座剪力為負值的錯誤結(jié)果。
綜上所述分析結(jié)果表明：
(1)板式支座地震力受滑板支座滑動摩擦系數(shù)小的影響比較復雜，在Ⅰ類場地條件下，影響較??；但在Ⅳ類場地條件下，板式支座地震力受摩擦系數(shù)小影響比較，同時也與烈度水平有關(guān)。
(2)(規(guī)范)公式4．2．6-4是以靜力方法考慮滑板支座對板式支座地震力的影響，并假設全部滑板支座同時發(fā)生滑動。但從分析中可知，當摩擦系數(shù)于0．03時，在低烈度水平地震作用下，存在滑板支座部分發(fā)生滑動的情況；對于相鄰橋墩水平剛度變化較且滑板支座放置于剛度較小的墩頂時更是如此，顯然公式不再適合。此外，《規(guī)范》公式?jīng)]有能夠恰當考慮滑板支座的摩擦耗能作用，隨著地震烈度水平的增加滑板支座發(fā)生較的滑移，同時消耗量的地震能量，從而顯著降低結(jié)構(gòu)的響應。
(3)《規(guī)范》規(guī)定，對于作用于板式支座的地震力應根據(jù)《規(guī)范》公式4．2．6-1，4．2．6-4分別計算，取兩者中的最值。這表明《規(guī)范》對滑板支座在設計地震作用下是否允許滑動，沒有給出明確規(guī)定，這導致設計人員對其設計的結(jié)構(gòu)在實際地震作用下的動力響應特性也很不清楚。
(4)《規(guī)范》沒有對滑板支座下橋墩地震力的計算給出明確規(guī)定，如果根據(jù)摩擦力與橋墩自身地震力疊加并乘以相應的系數(shù)作為設計地震力，則存在可能得到的橋墩屈服強度低于滑板支座發(fā)生滑動的摩擦力，從而導致墩的屈服先于滑板支座發(fā)生滑動，這與預期的性能不一致；此外，由于存在滑板支座不發(fā)生滑動的可能，因此，設計中應根據(jù)滑板支座的實際情況進行橋墩相應的抗震設計，這是目前規(guī)范所沒有考慮的。
