公路桥梁墩高对支座选取影响分析

公路桥梁墩高对支座选取影响分析

刘聪王艳宁

刘聪王艳宁

天津市市政工程设计研究院天津市300392

摘要：30m跨径是公路桥梁的常规跨径，对于30m跨径小箱梁的支座通常采用板式橡胶支座，现在考虑抗震需要开始使用高阻尼橡胶支座，水平分散力型橡胶支座和盆式橡胶支座等；由于山区公路桥梁墩高变化较大，分别采用三种最新支座对桥梁进行抗震分析，结果表明对于矮墩应采用高阻尼橡胶支座，对于高墩三种支座都可以满足抗震要求。

关键词：公路桥梁；墩高；支座；抗震分析

前言

常规梁桥的抗震体系包括墩柱延性设计和支座减隔震设计[1]。延性设计是保证墩柱外的其他构件不发生破坏，墩柱产生塑性铰耗能，减小传递到基础的上的地震力。支座减隔震设计是利用支座的滑动滞回耗散地震力，减小墩柱和基础的地震力。现阶段常规梁桥上常用的支座主要有高阻尼橡胶支座，水平分散力支座，盆式橡胶支座，三种支座的使用范围是否一致，本文将通过实例进行研究分析。

1工程概况

本桥梁项目位于青藏高原东北部的青海省互助土族自治县，桥梁按照分离式双向四车道一级公路标准设计，设计行车速度80km/h。标准跨径为30m小箱梁，墩柱高度5～30m，桥墩采用双柱墩和桩接柱形式。墩高按照三种高度计算，分别为：10m高墩柱采用1.6m桩接1.4m柱，20m高墩柱采用1.8m桩接1.6m柱，30m高墩柱采用2.0m桩接1.8m柱。

2支座模型建立

2.1板式橡胶支座

橡胶支座在正常使用情况下性能良好。但是该种支座的抗震性能一般，尤其是地震较大时容易发生支座撕裂，由于支座和墩梁没有有效的连接，地震时可能发生滑移，造成支座脱空，落梁等风险[2][3]。但是对于较小地震，支座位移不大的情况下，使用该种支座具有安装简单，造价节省的优点。

2.2水平分散力型橡胶支座

水平力分散性支座是在板式橡胶支座的基础上开发而来，主要预防地震作用下支座滑移问题，将支座和主梁以及墩柱通过套筒连接，使得地震作用下不会落梁。水平分散力橡胶支座采用线性弹簧模拟，该刚度比板式橡胶支座稍小[4]。装置的主要参数为承载力1848千牛，水平等效刚度1.95千牛每毫米。

2.3高阻尼橡胶支座

高阻尼橡胶支座是用复合橡胶制成具有高阻尼性能的隔震橡胶支座，高阻尼橡胶支座相较于水平分散力型橡胶支座的最主要区别是支座内的橡胶掺加了高阻尼材料，使得制作的前切变形更大，阻尼更大，耗能更强。该装置的主要参数为承载力1848千牛，初始刚度8.57千牛每毫米，屈后刚度1.32千牛每毫米，水平等效刚度1.76千牛每毫米。

高阻尼橡胶支座以及恢复力模型

2.4盆式橡胶支座

盆腔橡胶支座利用盆腔使橡胶的三维应力状态，使其承载力更强，转角承载力更大。单独置固定墩时，墩柱受力太大，无法满足抗震要求，因此多墩柱共同受力，全部中墩采用固定盆式橡胶支座。

3动力模型建立及地震动输入

采用大型有限元程序建立30m跨径桥梁的空间动力计算模型，其中墩柱、主梁采用空间的梁单元模拟，承台模拟为质点，赋予承台质量，并与墩底和桩基顶部节点形成主从连接。各桥墩处的桩基础采用一个6x6土弹簧模型加以模拟。二期恒载等效为线质量均匀施加主梁上。建立墩高10m，20m和30m模型，分别采用板式橡胶支座，水平分散力型橡胶支座，盆式橡胶支座三种支座进行分析。本工程属于单跨跨径不超过150m的一级公路上的桥梁，根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01--2008）属于B类抗震设防桥梁，工程场地为Ⅱ类场地，工程区抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度为0.15g，地震动反应谱周期0.45s。根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01--2008）相关规定得出计算需要的反应谱。

4计算结果分析

地震作用下，支座位移的大小关乎结构的安全，高阻尼橡胶支座的允许位移是200mm，水平分散力橡胶支座的允许位移是108mm。从结算结果看，支座地震位移均满足要求；除此之外高阻尼在不同墩高情况下支座位移均小于水平分散力支座，尤其是墩高越低的时候，两者的差距越大。以墩高作为参数，墩柱高度越高，支座的位移越小，主要是由于墩柱的柔性增加。

从结算结果看，同样墩高情况下，支座剪力从高阻尼到水平分散力到盆式橡胶支座越来越大；对于同一支座，墩柱高度越高，支座剪力越小，而且高阻尼的剪力对于墩高不敏感，变化不大，盆式橡胶支座对于墩高很敏感，变化较大。

从结算结果看，同样墩高情况下，墩柱弯矩从高阻尼到水平分散力到盆式橡胶支座越来越大。对于同一支座，墩柱高度越高，墩柱的弯矩越大，高阻尼支座对墩高比较敏感，盆式橡胶支座不敏感。并且根据弯矩曲率曲线得出墩柱的抗弯强度得到如下结果：对于10m墩柱只有采用高阻尼橡胶支座才能抗震要求，对于20m墩柱除盆式橡胶支座不能满足抗震要求外，其他两种支座可以满足抗震要求，对于30m墩高，三种支座均能满足抗震要求。

从结算结果看，同样墩高情况下，墩柱位移高阻尼橡胶支座最小，盆式橡胶支座最大；对于不同墩高来说，墩柱越高，墩顶位移越大，且墩柱高度越大，墩顶位移增加明显。

结论

本文根据公路桥梁常用的30m跨径，采用10m，20m，30m墩高对采用三种支座的桥梁分别进行分析，得到结论如下：

（1）采用高阻尼橡胶支座地震位移较小，但是位移容许值较大，且高阻尼橡胶支座对墩高参数不敏感，墩柱较低时，采用高阻尼橡胶支座不会产生很大的地震位移。

（2）高阻尼橡胶支座在地震作用下地震剪力较小，因此产生剪切破坏的可能性较小。

（3）对于高墩，三种支座都可以应用，且水平分散力橡胶支座成本较低，可以节约造价。但是对于矮墩则应该采用高阻尼橡胶支座，因为高阻尼橡胶支座可以减小墩底弯矩，使墩柱满足抗震要求。

（4）梁桥的墩高增加时，墩顶位移也增加明显，通过采用高阻尼橡胶支座可以有效的减小墩顶位移。

参考文献：

[1]范立础．桥梁抗震[M]．上海：同济大学出版社，1997

[2]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（04）

[3]JT/T4-2004.公路桥梁板式橡胶支座[S].2004

[4]刘聪.地震作用下先简支后桥面连续梁桥支座损伤分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2014，（3）：8-11，17