考虑板式橡胶支座滑移的梁桥抗震性能研究综述--中国期刊网

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考虑板式橡胶支座滑移的梁桥抗震性能研究综述

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：谭海涛

[导读] 摘要：本文通过以板式橡胶支座摩擦滑移抗震性能研究为中心，对相关文献以及相关实验和计算模型进行分析总结，针对现有研究成果的不足，提出一些建议。

        重庆交通大学重庆 400000
        摘要：本文通过以板式橡胶支座摩擦滑移抗震性能研究为中心，对相关文献以及相关实验和计算模型进行分析总结，针对现有研究成果的不足，提出一些建议。
        关键词：板式橡胶支座；摩擦滑移；抗震性能
        1引言
        桥梁支座作为连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件，它能将桥梁上部结构的反力和变形可靠的传递给桥梁下部结构。它也是桥梁结构体系中最薄弱的构件，在地震作用下一旦破坏，将对桥梁的整个结构产生很大的影响。因此，对桥梁支座的抗震性能研究就显得格外重要。
        针对汶川地震中小跨度梁桥出现的板式橡胶支座滑动的典型震害，目前有许多学者，已对板式橡胶支座的抗震性能在不同的方面做相关试验和研究。
        1.2国内外研究现状
        板式橡胶支座最早开始使用是在1936年法国巴黎的一座铁路桥上，二战后，英、德、美、日等许多国家相继使用板式橡胶支座。在我国，板式橡胶支座从1965年起由上海地区开始研制与实验，并先后在部分省市公路桥上使用。它因具有构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉、安装方便等优点。目前在国内外桥梁工程上得到了广泛应用。
        在2008年汶川地震中，采用板式橡胶支座的中小跨度桥梁遭受了严重的震害，通过震害调查发现：板式橡胶支座桥梁典型震害特征为支座与梁底发生相对滑动，从而导致梁体产生过大的位移，横向与混凝土挡块碰撞、纵向挤压桥台和伸缩缝，引起挡块、桥台及伸缩缝等的破坏，甚至发生落梁震害。但支座的滑动效应可以在一定程度上起减震作用，大大减小了传递到桥墩的地震力，使得该类桥梁桥墩和基础的损伤程度相对较小。此后，许多学者针对这一现象，通过实验和建立有限元数值模型对板式橡胶支座抗震性能展开了研究。
        1.2.1 板式橡胶支座性能的研究
        （1）界面连接方式
        板式橡胶支座按照与桥墩及梁体的连接方式不同分为双面锚固、单面锚固、无锚固。三种界面连接方式板式橡胶支座处于小变形（70% 的形变之内）时，以自身剪切变形为主；当水平作用增大时，单面锚固支座出现了滑移，无锚固的支座出现了滑移与卷曲，且单面锚固支座与无锚固支座在地震作用下耗能能力明显高于双面锚固支座。由于无锚固板式橡胶支座可最大程度利用自身的剪切变形与摩擦滑移耗散地震能量，地震耗能效果最好；但应防止过大的滑动位移引起落梁风险。
        （2）滑动摩擦系数
        针对板式支座与钢板之间的滑动摩擦性能的研究，项乃亮等［1］得出板式支座与钢板间滑动摩擦系数与支座的竖向压应力呈负相关、与支座滑动速率呈正相关。李枝军等［2］研究表明随着轴向压应力与加载速率的增加板式橡胶支座的最大静摩擦力与动摩擦力都出现降低趋势。
        （3）水平剪切刚度和剪切变形
        板式橡胶支座与钢板间的变形过程共分为3个阶段：①仅发生弹性剪切变形；②剪切变形逐渐增加，同时支座与钢板间发生少量滑动；③支座剪切变形保持不变，支座与钢板间摩擦滑动位移逐渐增加。李冲等［3］研究表明板式橡胶支座橡胶层厚度的增加会导致支座摩擦耗能性能改变，加载位移相同时，支座自身的剪切变形随之增大，摩擦滑移位移和摩擦耗能则随之减小。
        1.2.2相关计算模型、试验研究
        汤虎［4］通过建立考虑支座滑移全桥精细化有限元数值模型得出：挡块最大剪力强度取上部结构恒载反力的20％~30％、横向间隙在2~10cm范围内为相对合理的挡块力学性能；提高挡块延性变形能力可有效控制墩梁相对位移，同时不显著增加桥墩损伤程度。

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范立础等［5］研究表明墩身的刚度大，支座与梁底或墩顶的接触面之间越容易发生滑动；当支座发生滑动时，无论墩的高低，由滑动支座传到墩底的最大剪力基本是相同的，且随着摩擦系数的增加呈线性增加，直到摩擦系数太大导致无法产生接触面之间的相对滑动，此时最大剪力不再随摩擦系数的变化而变化。
        1.2.3 对桥梁纵横向地震响应的影响
        聂利英等［6］以一多跨简支梁为例，通过非线性时程分析，综合分析了由于支座滑动导致大的支座位移，并由此引起的相邻构件之间的碰撞以及由于碰撞导致的桥墩屈服等动力响应之间的耦合作用。王瑞龙采用非线性时程分析方法，探讨只考虑横向挡块的刚性约束作用、只虑支座的水平剪切刚度及考虑支座与梁底的滑动效应三种模拟方法对结构横桥向抗震性能的影响。结果表明：考虑板式橡胶与梁底的滑动效应后，由于两者之间摩擦耗能及滑动后支座的隔震作用，桥墩的地震力有了明显减小，同时主梁位移座变形也得到了较好的控制。
        1.2.4国内外抗震体系
        在美国，关于桥梁抗震规范，AASHTO Seismic［7］要求位于高烈度地区的桥梁应具有明显的抗震体系以满足桥梁生命安全准则。《AASHTO》（2007）修订时采用了这一概念，并强调传力路径的不间断性和保证桥梁的整体性，将抗震体系分为3类。
        日本对桥梁抗震设计规范，特别考虑桥梁整体的抗震性能，支座、防落梁装置等作为主要结构构件来设计，并且明确了桥墩和桩基础抗震强度的关系，原则要求桥墩的抗震强度低于桩基础，以保证大震时墩柱先于桩基发生塑性破坏，减轻上部结构惯性力传递到桩基的荷载[8]。
        与美国，日本桥梁结构体系不同，我国采用了两阶段设防、两阶段设计的抗震设计思想，并增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则。2012年实施的《城市桥梁抗震设计规范》借鉴了美国有关结构抗震体系概念，结合国内实际情况提出了混凝土桥梁两类抗震体系：①类型Ⅰ：地震作用下，桥梁塑性变形、耗能部位位于桥墩；②类型Ⅱ：地震作用下，桥梁耗能部位位于桥梁上、下部连接构件（支座、耗能装置）。同时要求桥梁结构抗震体系应符合以下几点规定：有可靠和稳定的传递地震作用到地基的途径；有效的位移约束，能可靠地控制结构地震位移，避免发生落梁破坏；有明确、可靠、合理的地震能量耗散部位；应避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。
        1.3结论与展望
        我国中小跨径桥梁采用活放式板式橡胶支座，支座上下无任何锚固措施，墩梁之间属于弱连接，正是这种弱连接使得支座起到了“保险丝式单元”的作用，可以有效地分散地震力，支座的摩擦滑移可以起到较好的隔震耗能作用。客观地来看，板式橡胶支座确实存在着对主梁约束过弱，主梁易移位，落梁风险大等缺点，因此，针对我国中小跨径桥梁，设计时要综合考虑支座、防落梁装置和桥墩的抗震性能。我国现行桥梁抗震设计规范在借鉴国外桥梁抗震设计规范时，应结合我国桥梁建设的实际情况，充分认识国外桥梁与我国桥梁在结构体系、传力路径等方面的差异，针对我国国情制定相关的设计标准。
        参考文献：
        [1]项乃亮，崔侠侠，李建中.板式橡胶支座滑动摩擦性能试验及其力学模型［J］.同济大学学报（自然科学版），2016，12：1828-1834
        [2]李枝军，葛飞，徐秀丽，王凯睿.板式橡胶支座性能有限元模拟与试验研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2013.11：1299-1304
        [3]李冲，王克海，李悦，等.板式橡胶支座摩擦滑移抗震性能试验研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2014，1：162-167
        [4]汤虎，板式橡胶支座梁桥抗震挡块合理力学性能研究［J］.上海公路，2015（4）：48-53
        [5]范立础，聂利英，李建中.地震作用下板式橡胶支座滑动的动力性能分析［J］.中国公路学报，2003.10［2］：30-35
        [6]王瑞龙.板式橡胶支座连续梁桥横向抗震性能研究［D］.城市道桥与防洪，2017.9（9）：188-190