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第 40 卷 第 6 期 2014 年 6 月 北 京 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 40 No. 6 Jun. 2014 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 抗 震 性 能 分 析 燕 斌 1,2, 杜 修 力 1, 韩 强 1 1, 贾 俊 峰 (1. 北 京 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 城 市 与 工 程 安 全 减 灾 教 育 部 重 点 实 验 室, 北 京 100124; 2. 北 京 国 道 通 公 路 设 计 研 究 院 股 份 有 限 公 司, 北 京 100053) 摘 要 : 针 对 板 式 橡 胶 支 座 在 地 震 作 用 下 存 在 落 梁 风 险 的 问 题, 开 发 了 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 ( unseating 鄄 prevention laminated rubber bearing, URB). 在 介 绍 该 支 座 基 本 情 况 的 基 础 上, 以 高 烈 度 区 典 型 预 制 桥 梁 为 例 进 行 罕 遇 地 震 作 用 分 析, 并 对 该 支 座 的 基 本 参 数 进 行 了 研 究. 分 析 结 果 表 明 : 该 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 可 通 过 钢 丝 绳 限 制 桥 梁 上 下 部 结 构 间 发 生 过 大 的 相 对, 既 可 保 护 支 座, 又 能 降 低 落 梁 风 险 ; 虽 然 会 增 大 桥 墩 的 地 震 响 应, 但 通 过 调 整 钢 丝 绳 参 数 可 降 低 这 种 不 利 影 响 ; 钢 丝 绳 初 始 间 隙 和 拉 伸 刚 度 是 该 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 主 要 参 数, 初 始 间 隙 要 同 时 满 足 正 常 使 用 和 地 震 作 用 的 要 求, 拉 伸 刚 度 应 结 合 支 座 本 身 及 桥 墩 受 力 确 定. 关 键 词 : 桥 梁 ; 抗 震 性 能 ; 落 梁 ; 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 中 图 分 类 号 : U 442 郾 5 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 0254-0037(2014)06-0857 - 08 Analysis of Seismic Performance of a Unseating 鄄 prevention Laminated Rubber Bearing YAN Bin 1,2, DU Xiu 鄄 li 1, HAN Qiang 1, JIA Jun 鄄 feng 1 (1. The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Beijing Guodaotong Highway Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100053, China) Abstract: A unseating 鄄 prevention laminated rubber bearing (URB) was developed to solve the problem that girder falling might be caused by the failure of laminated rubber bearing ( RB ). Based on introduction of URB, seismic analysis of a typical precast bridge with URB in the high 鄄 intensity seismic zone under rare earthquake was done and parameters of URB were studied afterwards. Results show that relative displacement between the superstructure and the substructure of the bridge can be controlled by wire rope of URB to protect the bearings and reduce the risk of girder falling; although seismic response of pier can be increased by URB, this adverse effects can still be reduced by adjusting parameters of the wire rope; initial gap and tensile stiffness of the wire rope are basic parameters of URB, where the former should meet the demands of normal using and earthquake, and the later can be determined by considering seismic response of URB and the pier together. Key words: bridge; seismic performance; girder falling; unseating 鄄 prevention laminated rubber bearing 地 震 是 威 胁 人 类 生 活 及 生 产 的 一 种 自 然 灾 害, 桥 梁 是 基 础 设 施 中 的 生 命 线 工 程. 如 何 提 高 桥 梁 的 收 稿 日 期 : 2013 鄄 09 鄄 24 基 金 项 目 : 国 家 973 冶 计 划 资 助 项 目 (2011CB013600); 中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目 (2012M510300); 北 京 市 交 通 行 业 科 技 项 目 (2012KJ -004) 作 者 简 介 : 燕 斌 (1983 ), 男, 一 级 注 册 结 构 工 程 师, 主 要 从 事 桥 梁 设 计 及 减 隔 震 方 面 的 研 究,E 鄄 mail:yanbinbridge@ 163. com

858 北 京 工 业 大 学 学 报 2014 年 抗 震 性 能, 使 其 肩 负 起 抗 震 救 灾 和 灾 后 重 建 的 重 任, 值 得 研 究 [1]. 预 制 梁 ( 板 ) 桥 因 其 设 计 施 工 标 准 化 程 度 高 而 被 广 泛 使 用, 是 现 有 桥 梁 占 有 率 最 高 的 型 式 [2 鄄 4]. 预 制 梁 ( 板 ) 桥 通 常 使 用 板 式 橡 胶 支 座 传 递 上 部 结 构 荷 载 [5 鄄 7]. 实 践 证 明, 板 式 橡 胶 支 座 不 仅 具 有 良 好 的 静 力 性 能, 也 具 有 卓 越 的 抗 震 性 能, 是 最 为 经 典 的 隔 震 装 置 [8 鄄 10]. 历 次 桥 梁 震 害 调 查 与 分 析 发 现 : 过 大 的 水 平 地 震 作 用 将 导 致 板 式 橡 胶 支 座 与 桥 梁 上 下 部 结 构 间 发 生 滑 移 脱 离 现 象, 甚 至 出 现 支 座 破 坏, 进 而 产 生 落 梁 震 害. 在 1995 年 的 日 本 阪 神 地 震 中, 多 座 钢 桥 发 生 了 落 梁 破 坏 [11] ; 在 1999 年 的 台 湾 集 集 地 震 中, 多 座 采 用 板 式 橡 胶 支 座 的 桥 梁 发 生 了 落 梁 破 坏 [12] ; 在 2008 年 汶 川 地 震 中, 大 量 采 用 板 式 橡 胶 支 座 的 桥 梁 发 生 支 座 滑 移 损 坏, 甚 至 发 生 上 部 结 构 落 梁 的 震 害 [13 鄄 14]. 为 此, 城 市 桥 梁 抗 震 设 计 规 范 ( CJJ 166 2011) ( 简 称 : 抗 震 规 范 ) 规 定 : 对 采 用 板 式 橡 胶 支 座 的 桥 梁 结 构, 在 地 震 作 用 下 支 座 抗 滑 性 能 如 果 不 满 足 要 求 时, 应 采 用 限 位 装 置 或 进 行 减 隔 震 设 计. 常 用 的 减 隔 震 装 置 包 括 铅 芯 橡 胶 支 座 [15] 高 阻 尼 橡 胶 支 座 [16] 摩 擦 摆 支 [17] 座 等. 这 些 减 隔 震 装 置 构 造 复 杂 造 价 较 高, 相 比 之 下 限 位 装 置 制 作 简 便 造 价 低 廉, 既 可 单 独 使 用, 又 可 构 成 支 座 的 一 部 分, 目 前 已 有 学 者 对 具 有 限 位 功 能 的 盆 式 支 座 进 行 了 研 究 [18 鄄 19], 因 此, 限 位 装 置 与 板 式 橡 胶 支 座 联 合 使 用 可 作 为 降 低 落 梁 风 险 的 一 个 重 要 措 施. 基 于 上 述 考 虑, 本 文 采 用 钢 丝 绳 为 限 位 装 置, 使 其 成 为 板 式 橡 胶 支 座 的 一 部 分, 将 这 种 具 有 防 落 梁 功 能 的 板 式 橡 胶 支 座 称 为 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 ( unseating 鄄 prevention laminated rubber bearing, URB). 该 支 座 可 限 制 地 震 作 用 下 桥 梁 上 下 部 结 构 间 发 生 过 大 的 相 对, 既 可 保 护 支 座, 又 能 降 低 落 梁 风 险. 本 文 介 绍 了 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 构 造 作 用 机 理 及 荷 载 - 关 系, 以 高 烈 度 区 具 有 代 表 性 的 预 制 T 梁 桥 为 例, 分 析 该 支 座 对 桥 梁 抗 震 性 能 的 影 响, 通 过 参 数 分 析 研 究 各 参 数 的 影 响 趋 势 与 合 理 取 值. 1 新 型 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 介 绍 1 郾 1 构 造 板 式 橡 胶 支 座 分 为 普 通 板 式 橡 胶 支 座 和 四 氟 滑 板 式 橡 胶 支 座. 相 应 的, 新 型 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 可 分 为 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 和 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座. 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 见 图 1(a), 主 要 由 3 部 分 组 成 : 加 劲 橡 胶 板 连 接 钢 板 和 钢 丝 绳. 加 劲 橡 胶 板 是 在 普 通 板 式 橡 胶 支 座 顶 底 面 各 黏 附 1 层 钢 板 而 成 ; 连 接 钢 板 包 括 上 钢 板 和 下 钢 板, 与 加 劲 橡 胶 板 通 过 螺 栓 连 接, 与 桥 梁 上 下 部 结 构 分 别 通 过 锚 固 螺 栓 连 接 ; 钢 丝 绳 两 端 分 别 与 上 下 钢 板 连 接, 其 根 数 可 根 据 抗 震 计 算 结 果 均 匀 布 置. 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 见 图 1(b), 以 四 氟 滑 板 式 橡 胶 支 座 为 原 型, 在 其 上 钢 板 和 下 钢 板 之 间 设 置 钢 丝 绳 而 成. 图 1 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 构 造 Fig. 1 Configuration of URB 1 郾 2 工 作 机 理 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 工 作 机 理 如 图 2 所 示. 在 正 常 使 用 阶 段 和 设 计 地 震 作 用 下, 仅 加 劲 橡 胶 板 发 挥 作 用, 支 座 的 整 体 水 平 刚 度 即 为 加 劲 橡 胶 板 的 水 平 刚 度. 在 罕 遇 地 震 作 用 下, 当 加 劲 橡 胶 板 的 变 形 达 到 其 设 计 容 许 变 形 值 时, 钢 丝 绳 被 拉 紧, 开 始 发 挥 作 用, 支 座 的 整 体 水 平 刚 度 等 于 加 劲 橡 胶 板 与 钢 丝 绳 的 水 平 刚 度 之 和 ; 由 于 钢 丝 绳 刚 度 很 大, 因 此 可 在 极 小 变 形 内 阻 止 进 一 步 增 大, 防 止 支 座 破 坏, 进 而 降 低 落 梁 风 险 ; 震 后 钢 丝 绳 退 出 工 作, 桥 梁 上 部 结 构 在 加 劲 橡 胶 板 的 恢 复 力 作 用 下 实 现 复 位. 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 的 工 作 机 理 如 图 3 所 示. 在 正 常 使 用 阶 段 和 设 计 地 震 作 用 下, 钢 丝

第6 期 燕 斌, 等: 防落梁板式橡胶支座抗震性能分析 859 图 2 普通防落梁板式橡胶支座的工作机理 Fig. 2 Mechanism of ordinary URB 绳不发挥作用,支座可在纵桥向自由滑动. 在罕遇 地震作用下,当 支 座 的 滑 动 达 到 其 设 计 容 许 位移时,钢 丝 绳 被 拉 紧,开 始 发 挥 作 用, 支 座 的 整 体水平刚度 即 为 钢 丝 绳 的 水 平 刚 度;由 于 钢 丝 绳 刚度很大,因 此 可 在 极 小 变 形 内 阻 止 进 一 步 增大,防止 支 座 破 坏,进 而 降 低 落 梁 风 险; 震 后 钢 丝绳退出工 作,支 座 停 留 在 设 计 容 许 内 的 某 一区域. 图 4 普通防落梁板式橡胶支座的荷载-位移曲线 Fig. 4 Load鄄displacement curve of ordinary URB 式中:E 为钢丝绳的弹性模量( kn / m2 ),按试验值确 定;A w 为钢丝绳的截面积( m2 ) ;l 为钢丝绳绷紧时 图 3 四氟滑板式防落梁橡胶支座的工作机理 的长度( m),可取外螺纹两端钢丝绳的下料长度. Fig. 3 Mechanism of PTFE sliding URB 四氟滑板式防落梁橡胶支座可看作滑板支座 1郾 3 荷载-位移关系 普通防落梁板式橡胶支座可看作加劲橡胶板与 钢丝绳的并联,其中加劲橡胶板在水平荷载作用下 表现为线弹性,钢丝绳在被绷紧前不参与工作,在绷 紧后表现为线弹性. 普通防落梁板式橡胶支座的荷 载-位移曲线如图 4 所示,按 ì - k1 u0 + ( k1 + k2 ) ( u + u0 ), F = ík1 u, îk 1 u 0 + ( k 1 + k 2 ) ( u - u 0 ), 与钢丝绳的并联,其中,滑板支座在水平荷载作用 下表现为理 想 弹 塑 性,钢 丝 绳 在 被 绷 紧 前 不 参 与 工作,在绷紧后表现为线弹性. 四氟滑板式防落梁 橡胶支座的荷载- 位移曲线如图 5 所示,按式( 4 ) 计算. u < - u0 - u0 臆u臆u0 u > u0 (1) 计算. 式中:k1 为加劲橡胶板的剪切刚度( kn / m), 按式(2) 计算;u0 为钢丝绳的初始间隙( m),根据加 劲橡胶板的容许变形值确定;k2 为钢丝绳的拉伸刚 度( kn / m),按 k1 = Gd Ar 移t (2) 计算. 式中: G d 为加劲橡胶板的动剪切模量 ( kn / m2 ),一般取 1 200 kn / m2 ;A r 为加劲橡胶板的剪切 面积( m2 ) ; 移 t 为橡胶层的总厚度( m). k2 = EA w l (3) 图 5 四氟滑板式防落梁橡胶支座的荷载-位移曲线 Fig. 5 Load鄄displacement curve of PTFE sliding URB

860 北 京 工 业 大 学 学 报 2014 年 ì - k y + k 2 (u + u 0 ), u < - u 0 - k y, - u 0 臆 u 臆 - F = ík y u, - < u < (4) k y, 臆 u 臆 u 0 îk y + k 2 (u - u 0 ), u > u 式 中 :k y 为 滑 板 支 座 的 初 始 刚 度 ( kn / m), 按 式 (5) 计 算 ; 为 滑 板 支 座 的 屈 服 (m), 一 般 取 0 郾 002 ~ 0 郾 005 m;k 2 为 钢 丝 绳 的 拉 伸 刚 度 (kn / m), 按 式 (3) 计 算 ;u 0 为 钢 丝 绳 的 初 始 间 隙 ( m), 根 据 滑 板 支 座 的 设 计 确 定. k y = F max (5) 式 中 :F max 为 滑 板 支 座 临 界 滑 动 摩 擦 力 (kn), 计 算 公 式 为 F max = 滋 dr (6) 式 中 : 滋 d 为 滑 动 摩 擦 系 数, 一 般 取 0 郾 02;R 为 支 座 所 承 担 的 上 部 结 构 的 重 力 (kn). 2 典 型 桥 梁 实 例 0 选 择 跨 径 组 合 为 4 伊 40 m 的 装 配 式 预 应 力 混 凝 土 连 续 T 梁 桥 作 为 研 究 对 象 ( 见 图 6). 上 部 结 构 采 用 先 简 支 后 连 续 结 构 体 系, 桥 面 宽 12 郾 0 m, 梁 高 2 郾 5 m, 每 跨 横 向 由 5 片 梁 构 成, 现 浇 湿 接 缝. 下 部 结 构 采 用 桩 柱 式 结 构, 盖 梁 采 用 标 准 断 面 为 2 郾 2 m 伊 1 郾 8 m 的 矩 形 断 面, 桥 墩 采 用 直 径 为 2 郾 0 m 的 圆 形 断 面, 系 梁 采 用 1 郾 4 m 伊 1 郾 8 m 的 矩 形 断 面, 桩 基 采 用 直 径 为 2 郾 2 m 的 圆 形 断 面 ; 为 方 便 研 究, 墩 高 均 取 15 郾 0 m, 桩 长 均 取 20 郾 0 m. 各 构 件 的 混 凝 土 强 度 等 级 分 别 为 : 主 梁 C50, 盖 梁 与 桥 墩 C40, 系 梁 与 桩 基 C30. 支 座 布 置 为 : 每 片 T 梁 在 桥 墩 处 均 设 置 1 个 支 座, 其 中 边 墩 处 设 置 四 氟 滑 板 橡 胶 支 座, 型 号 为 GJZF 4 400 mm 伊 450 mm 伊 86 mm, 在 正 常 使 用 阶 段 顺 桥 向 设 计 水 平 为 90 mm; 中 间 墩 处 设 置 普 通 板 式 橡 胶 支 座, 型 号 为 GJZ500 mm 伊 650 mm 伊 90 mm, 在 正 常 使 用 阶 段 设 计 为 42 mm. 为 简 化 分 析, 假 设 桩 顶 以 下 30 m 均 为 中 砂. 3 动 力 分 析 模 型 采 用 Midas / Civil 对 上 述 桥 梁 实 例 进 行 分 析, 轴 定 义 为 :x 轴 表 示 纵 桥 向,y 轴 表 示 横 桥 向,z 轴 表 示 竖 向 ( 见 图 7). 主 梁 盖 梁 桥 墩 均 采 用 空 间 梁 单 元 模 拟 ; 在 墩 底 设 置 六 自 由 度 弹 簧 以 考 虑 桩 土 相 互 作 用, 弹 簧 刚 度 根 据 桩 基 特 性 和 m 法 冶 取 值 [20], 平 动 图 6 典 型 桥 梁 实 例 ( 单 位 :mm) Fig. 6 Typical bridge instance(unit of dimension: mm) 方 向 刚 度 分 别 为 K x = 1 郾 13 GN / m K y = 1 郾 04 GN / m K z = 21 郾 2 GN / m, 转 动 方 向 刚 度 分 别 为 M x = 285 GN m / rad M y = 25 郾 6 GN m / rad M z = 18 郾 8 GN m / rad; 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 取 代 原 有 普 通 板 式 橡 胶 支 座, 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 取 代 原 有 四 氟 滑 板 式 橡 胶 支 座, 支 座 型 号 均 不 变 ; 钢 丝 绳 均 选 用 直 径 为 13 mm 的 (6 伊 37S + FC) 型 结 构, 每 侧 5 根 沿 支 座 横 桥 向 均 匀 布 置, 用 于 限 制 纵 桥 向 ; 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 采 用 弹 簧 单 元 和 间 隙 单 元 并 联 模 拟, 相 关 参 数 为 k 1 = 4 875 kn / m u 0 = 0 郾 042 m k 2 = 100 MN / m; 防 落 梁 滑 板 支 座 采 用 滞 后 系 统 和 间 隙 单 元 并 联 模 拟, 相 关 参 数 为 k y = 11 440 kn / m = 0 郾 003 m u 0 = 0 郾 09 m k 2 = 100 MN / m. 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 独 特 功 能 是 限 制 地 震 作 用 下 主 梁 与 桥 墩 间 过 大 的 纵 桥 向 相 对, 进 而 降

第 6 期 燕 斌, 等 : 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 抗 震 性 能 分 析 861 低 主 梁 发 生 落 梁 的 风 险. 同 时, 根 据 抗 震 规 范, 对 于 如 桥 梁 实 例 的 普 通 桥 梁, 可 只 考 虑 水 平 向 地 震 作 用 的 影 响. 因 此, 分 析 时 仅 考 虑 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 对 桥 梁 纵 桥 向 抗 震 性 能 的 影 响. 就 说 明,URB 体 系 保 证 了 支 座 的 安 全, 降 低 了 落 梁 的 风 险. 表 1 支 座 及 桥 墩 对 比 Table 1 Comparison of displacements of bearings and piers mm RB 体 系 URB 体 系 支 座 位 置 支 座 墩 顶 支 座 墩 顶 容 许 P 1 137 32 96 33 90 图 7 动 力 分 析 模 型 Fig. 7 Dynamic analysis model 假 设 桥 梁 位 于 8 度 区, 基 本 地 震 动 加 速 度 峰 值 为 0 郾 2 g. 根 据 抗 震 设 防 烈 度 及 场 地 特 征 选 取 地 震 动 参 数, 图 8 为 罕 遇 地 震 下 的 一 条 人 工 地 震 波, 沿 桥 梁 纵 向 输 入. 图 8 加 速 度 时 程 曲 线 Fig. 8 An acceleration time history curve 4 抗 震 性 能 分 析 对 比 分 析 采 用 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 前 后 桥 梁 抗 震 性 能 的 变 化, 将 采 用 原 有 常 规 板 式 橡 胶 支 座 (laminated rubber bearing, RB) 的 结 构 体 系 称 为 RB 体 系, 将 采 用 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 结 构 体 系 称 为 URB 体 系. 表 1 为 2 种 体 系 下 不 同 墩 位 处 支 座 的 对 比. 其 中, 四 氟 滑 板 橡 胶 支 座 与 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 的 容 许 值 相 等, 均 取 其 设 计 ; 普 通 板 式 橡 胶 支 座 与 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 容 许 值 相 等, 均 按 抗 震 规 范 计 算, 取 支 座 橡 胶 层 的 总 厚 度. 可 以 看 出,RB 体 系 在 罕 遇 地 震 下, 四 氟 滑 板 橡 胶 支 座 和 普 通 板 式 橡 胶 支 座 均 发 生 了 超 过 其 容 许 值 的, 造 成 的 结 果 是 四 氟 滑 板 橡 胶 支 座 失 效, 普 通 板 式 橡 胶 支 座 不 满 足 支 座 厚 度 验 算, 发 生 失 稳, 进 而 存 在 发 生 落 梁 震 害 的 风 险 ; 相 比 之 下,URB 体 系 则 可 将 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 地 震 限 制 在 其 容 许 之 内, 将 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 的 地 震 限 制 在 不 超 过 其 容 许 10% 之 内. 也 P 2 69 69 48 60 65 P 3 69 69 48 60 65 表 2 为 2 种 体 系 下 不 同 墩 位 处 支 座 水 平 剪 力 的 对 比. 其 中, 普 通 板 式 橡 胶 支 座 和 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 中 加 劲 橡 胶 板 的 容 许 水 平 剪 力 值 相 等, 均 按 抗 震 规 范 计 算, 取 15% 的 恒 载 反 力 ; 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 和 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 中 钢 丝 绳 的 容 许 承 载 力 取 其 理 论 破 断 力, 可 根 据 钢 丝 绳 的 拉 伸 强 度 和 面 积 确 定. 可 以 看 出,RB 体 系 在 罕 遇 地 震 下, 普 通 板 式 橡 胶 支 座 的 水 平 剪 力 将 超 过 其 容 许 值, 造 成 的 结 果 是 支 座 不 满 足 抗 滑 稳 定 性 验 算, 支 座 失 效, 进 而 增 大 了 发 生 落 梁 震 害 的 风 险 ; 相 比 之 下, URB 体 系 中, 钢 丝 绳 分 担 了 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 大 部 分 的 水 平 剪 力, 可 有 效 减 小 加 劲 橡 胶 板 的 受 力, 使 二 者 均 在 可 控 范 围 之 内. 表 2 支 座 水 平 剪 力 对 比 Table 2 Comparison of horizontal shear forces of bearings kn 位 置 RB 体 系 URB 体 系 容 许 值 橡 胶 板 橡 胶 板 钢 丝 绳 橡 胶 板 钢 丝 绳 P 1 637 783 P 2 336 235 612 270 783 P 3 336 234 599 245 783 表 3 为 2 种 体 系 下 各 墩 底 内 力 的 对 比. 可 以 看 出, 采 用 URB 体 系 后, 桥 墩 的 地 震 响 应 明 显 增 大, 其 中 以 边 墩 最 为 明 显, 中 墩 也 有 较 大 程 度 增 加. 这 是 因 为, 在 RB 体 系 中, 主 梁 与 边 墩 之 间 依 靠 摩 擦 连 接, 主 梁 传 至 边 墩 的 剪 力 很 小, 而 在 URB 体 系 中, 钢 丝 绳 参 与 受 力 并 将 其 传 递 给 边 墩, 造 成 其 内 力 显 著 增 大 ; 基 于 类 似 原 因, 中 墩 的 内 力 也 有 所 增 加, 但 由 于 钢 丝 绳 仅 承 担 了 部 分 水 平 剪 力, 因 此 传 至 桥 墩 的 内 力 增 加 有 限. 总 体 来 看, 桥 墩 内 力 虽 有 不 同 程 度

862 北 京 工 业 大 学 学 报 2014 年 增 大, 但 其 数 值 仍 在 截 面 的 承 载 能 力 之 内, 可 满 足 验 算 要 求. Table 3 表 3 墩 底 内 力 对 比 Comparison of force at the bottom of piers 最 大 剪 力 / kn 最 大 剪 力 最 大 弯 矩 / (kn m) 最 大 弯 矩 位 置 RB 体 系 URB 体 系 增 大 率 / % RB 体 系 URB 体 系 增 大 率 / % P 1 526 798 51 郾 7 6 727 10 577 57 郾 2 P 2 997 1 487 49 郾 1 16 692 20 382 22 郾 1 P 3 1 000 1 482 48 郾 2 16 741 20 447 22 郾 1 注 : 增 大 率 指 各 地 震 响 应 量 采 用 URB 体 系 比 采 用 RB 体 系 各 结 构 响 应 量 所 增 大 的 比 率. 值 得 注 意 的 是, 在 RB 体 系 中, 桥 墩 内 力 计 算 是 建 立 在 支 座 不 发 生 破 坏 的 情 况 下, 而 实 际 情 况 并 非 如 此. 从 表 1 2 可 以 看 出, 四 氟 滑 板 橡 胶 支 座 与 普 通 板 式 橡 胶 支 座 实 际 均 已 发 生 破 坏, 因 此 模 型 计 算 的 桥 墩 内 力 并 不 真 实 ; 在 URB 体 系 中, 新 型 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 钢 丝 绳 不 但 能 控 制, 而 且 可 以 保 护 支 座, 因 此, 整 个 桥 梁 结 构 的 地 震 响 应 是 在 可 控 范 围 内 的, 其 计 算 结 果 也 是 真 实 的. 图 9 为 URB 体 系 中 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 (P 3 处 ) 和 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 (P 1 处 ) 的 荷 载 - 曲 线. 可 以 看 出, 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 表 现 出 多 折 线 弹 性 的 性 质, 四 氟 滑 板 式 防 落 梁 橡 胶 支 座 表 现 为 理 想 弹 塑 性 与 弹 性 相 结 合 的 性 质, 二 者 的 作 用 机 理 相 同, 都 是 在 设 定 间 隙 处 引 入 较 大 刚 度 以 限 制 ; 同 时,2 种 支 座 均 通 过 牺 牲 内 力 来 实 现 减 小 的 目 的, 通 过 选 取 合 理 的 钢 丝 绳 参 数 则 可 使 内 力 与 均 满 足 抗 震 性 能 要 求. 5 参 数 分 析 为 更 好 地 研 究 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 各 参 数 对 桥 梁 抗 震 性 能 的 影 响, 以 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 为 例 进 行 研 究. 为 直 观 分 析, 假 定 不 考 虑 其 他 非 线 性 因 素 影 响, 即 将 边 墩 支 座 按 纵 桥 向 自 由 模 拟. 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 主 要 参 数 是 加 劲 橡 胶 板 的 剪 切 刚 度 k 1 钢 丝 绳 的 初 始 间 隙 u 0 以 及 钢 丝 绳 的 拉 伸 刚 度 k 2. 其 中,k 1 根 据 支 座 型 号 即 可 确 定, 而 u 0 和 k 2 则 可 根 据 实 际 情 况 进 行 调 整, 因 此 选 择 u 0 和 k 2 进 行 参 数 分 析. 在 u 0 的 选 择 上, 既 要 满 足 正 常 使 用 阶 段 的 变 形 要 求, 也 要 满 足 地 震 作 用 下 的 要 求, 因 此, 其 值 应 介 于 二 者 之 间 ; 在 k 2 的 选 择 上, 可 通 过 调 整 钢 丝 绳 面 积 长 度 及 根 数 确 定. 表 4 列 出 了 进 行 分 析 的 参 数 值. 图 10 为 各 参 数 对 钢 丝 绳 拉 力 的 影 响 ( P 3 处 ). 可 以 看 出, 随 着 u 0 的 增 大, 钢 丝 绳 拉 力 呈 下 降 趋 势, Fig. 9 表 4 Table 4 参 数 图 9 计 算 的 荷 载 - 曲 线 Calculated load 鄄 displacement curve 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 参 数 取 值 Parameter values of ordinary URB 取 值 u 0 / m 0 郾 03, 0 郾 04, 0 郾 05, 0 郾 06 k 2 / (MN m - 1 ) 50, 100, 200, 300 这 是 因 为 当 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 发 生 大 于 u 0 的 后, 钢 丝 绳 才 开 始 产 生 作 用,u 0 越 大, 钢 丝 绳 可 发 挥 的 作 用 越 小 ; 当 u 0 较 小 时, 钢 丝 绳 拉 力 随 k 2 的 增 大 而 增 大, 当 u 0 较 大 时, 钢 丝 绳 拉 力 与 k 2 的 关 系 已 不 具 规 律 性, 这 是 因 为 当 u 0 较 小 时, 钢 丝 绳 须

第 6 期 燕 斌, 等 : 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 抗 震 性 能 分 析 863 产 生 较 大 变 形 才 能 实 现 限 位,k 2 越 大 则 钢 丝 绳 拉 力 越 大, 当 u 0 较 大 时, 钢 丝 绳 无 需 过 大 变 形 即 可 限 位, k 2 的 变 化 对 钢 丝 绳 受 力 影 响 不 大. 总 体 来 看, u 0 = 0 郾 06 m k 2 = 100 MN / m 时, 钢 丝 绳 受 力 最 小. 破 坏, 进 而 引 起 落 梁 震 害 风 险 的 产 生. 2) 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 可 通 过 钢 丝 绳 限 制 桥 梁 上 下 部 结 构 间 发 生 过 大 的 相 对, 既 可 保 护 支 座, 又 能 降 低 落 梁 风 险. 3) 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 会 造 成 桥 墩 地 震 响 应 的 增 加, 通 过 选 取 合 理 的 钢 丝 绳 参 数 可 使 其 满 足 抗 震 性 能 要 求. 4) 钢 丝 绳 初 始 间 隙 和 拉 伸 刚 度 是 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 的 主 要 参 数, 初 始 间 隙 要 同 时 满 足 正 常 使 用 和 地 震 作 用 的 要 求, 拉 伸 刚 度 应 结 合 支 座 本 身 及 桥 墩 受 力 确 定. Fig. 10 图 10 参 数 对 钢 丝 绳 拉 力 的 影 响 Impact of parameters on tension of wire rope 图 11 为 各 参 数 对 墩 底 内 力 的 影 响 ( P 3 处 ). 可 以 看 出, 相 比 于 采 用 普 通 板 式 橡 胶 支 座 的 情 况, 采 用 普 通 防 落 梁 板 式 橡 胶 支 座 后 墩 底 内 力 显 著 增 大, 这 是 由 于 钢 丝 绳 参 与 受 力 并 将 其 传 递 给 桥 墩 ; 随 着 u 0 的 增 大, 墩 底 弯 矩 先 增 大 后 减 小, 这 是 因 为 当 u 0 增 大 时, 桥 墩 自 由 振 动 所 产 生 的 内 力 增 大, 钢 丝 绳 拉 力 所 产 生 的 桥 墩 内 力 减 小, 当 前 者 占 主 要 原 因 时, 墩 底 弯 矩 增 大, 当 后 者 占 主 要 原 因 时, 墩 底 弯 矩 减 小 ; 墩 底 弯 矩 受 k 2 影 响 的 规 律 不 明 显, 其 原 因 在 于 桥 墩 自 由 振 动 所 产 生 的 弯 矩 和 钢 丝 绳 拉 力 所 产 生 的 弯 矩 既 可 能 是 同 向 的, 也 可 能 是 反 向 的, 如 同 向 则 叠 加 的 弯 矩 较 大, 如 反 向 则 叠 加 的 弯 矩 较 小. 总 体 来 看,u 0 = 0 郾 06 m k 2 = 100 MN / m 时, 墩 底 弯 矩 最 小. Fig. 11 图 11 参 数 对 墩 底 弯 矩 的 影 响 Impact of parameters on moment at pier bottom 综 合 钢 丝 绳 及 桥 墩 分 析 结 果, 选 定 u 0 = 0 郾 06 m, k 2 = 100 MN / m 为 最 优 参 数. 6 结 论 1) 板 式 橡 胶 支 座 在 罕 遇 地 震 作 用 下 有 可 能 发 生 超 过 其 容 许 值 的 剪 切 变 形 或 水 平 剪 力, 造 成 支 座 参 考 文 献 : [1] PRIESTLEY M J N, SEIBLE F, CALVI G M. Seismic design and retrofit of bridges [M]. New York: John Wiley and Sons, 1996: 1 鄄 39. [2] 周 纲. 预 应 力 混 凝 土 简 装 连 续 T 梁 设 计 [ J]. 公 路, 2001(11): 54 鄄 56. ZHOU Gang. Design of simply installed prestressed concrete T 鄄 beam bridge [ J]. Highway, 2001 (11): 54 鄄 56. (in Chinese) [3] 何 黎 君. 4 伊 40 m 简 支 转 连 续 小 箱 梁 设 计 [ J]. 铁 道 标 准 设 计, 2008(8): 82 鄄 83. HE Li 鄄 jun. Design of simply supported continuous box girder of 4 伊 40 m [ J]. Railway Standard Design, 2008 (8): 82 鄄 83. (in Chinese) [4] 陈 淮, 张 云 娜. 施 加 横 向 预 应 力 加 固 装 配 式 空 心 板 桥 研 究 [J]. 公 路 交 通 科 技, 2008, 25(10): 58 鄄 62. CHEN Huai, ZHANG Yun 鄄 na. Research on strengthening fabricated hollow slab bridge by applying transverse prestress [ J ]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(10): 58 鄄 62. ( in Chinese) [5] 周 岳 武, 李 风 芹, 张 亚 丽. 准 朔 铁 路 黄 河 特 大 桥 拱 上 简 支 T 梁 支 座 布 置 研 究 [ J]. 铁 道 工 程 学 报, 2012, 167 (8): 49 鄄 54. ZHOU Yue 鄄 wu, LI Feng 鄄 qin, ZHANG Ya 鄄 li. Research on abutment arrangement of simply supported T 鄄 beam of Yellow River Bridge of Zhuangeer 鄄 Shuozhou Railway [ J]. Journal of Railway Engineering Society, 2012, 167 (8): 49 鄄 54. (in Chinese) [6] 张 立 忠, 曾 仲 和. 千 斤 顶 顶 升 小 箱 梁 更 换 支 座 的 施 工 [J]. 公 路, 2005(8): 294 鄄 295. ZHANG Li 鄄 zhong, ZENG Zhong 鄄 he. Bearing replacement construction by jacking up box girder [ J]. Highway, 2005 (8): 294 鄄 295. (in Chinese) [7] 韦 立 林. 三 支 座 30 m 宽 幅 式 空 心 板 梁 受 力 性 能 试 验 研

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