建立非线性模型来分析铅芯橡胶支座在高烈度山区桥梁中的抗震情况

我国是一个多山的国家，山地面积约占国土面积的2/3，这就从客观上决定了我国有大量的较复杂的地质结构。同时，我国地处世界上两条最活跃的地震带之间，东有太平洋地震带，西有喜马拉雅山地中海地震带，我国内陆地震活动受其影响极大，地震分布广泛，绝大多数为浅源地震，尤其是西部地震分布广泛，地震引发的地质灾害频发，而且我国新构造活动强烈，不同类型活动构造及活动断裂十分发育，也就是说我国是全球大陆地震最为集中、活动性最高的地区之一。因此，有必要对处于高烈度山区的简支梁桥进行减隔震设计，以减小地震所带来的危害和损失。

1、减隔震支座的工作原理

减隔震，其本质就是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。与普通的抗震理论不同，普通的抗震理论是通过结构、构件自身具有的强度来抗震，而减震则是采用动态的抵抗方法，采用隔震装置，使地面运动的地震能量输入减小，从而有效地降低桥梁结构的地震力。

桥梁减隔震技术是指通过采用隔震装置来延长结构的自振周期，大幅度增加结构的阻尼特性，减少桥墩顶部的地震位移反应，同时减小上部结构的加速度反应，可以将地震力均匀地分布到各个桥墩上，避免地震力集中在一个桥墩上，防止桥墩的损坏，保证了桥梁的安全。

2、铅芯橡胶支座的非线性分析模型

根据设计中采用的分析方法的不同，铅芯橡胶支座的分析模型可分为两大类，即等效线性化模型和非线性分析模型。等效线性化模型就是将实际非线性模型用一个近似的线性模型来描述，进而可以利用线性模型的特性用于结构的响应分析，它主要用于弹性反应谱分析方法中，力学参数有两个，即等效线性刚度和等效阻尼比。非线性分析模型主要用于非线性静力分析或非线性动力时程分析中，两种分析模型中涉及的设计参数均是通过实验研究来建立的。本文采用非线性分析模型。对于铅芯橡胶支座的非线性分析模型，日本、新西兰规范均建议采用双线性模型，但具体的参数却不同。

桥梁减隔震技术是指通过采用隔震装置来延长结构的自振周期，可以避免短周期的地震影响，从而有效地减小结构的地震加速度反应，减小了桥梁结构在地震作用下的响应，保证了桥梁结构的安全。图4为采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座时桥梁结构的动力特性值比较。

从图4中可以看出：采用铅芯橡胶支座明显地延长了结构的周期，降低了结构的频率，使地面运动的地震能量输入减小，从而有效地降低桥梁结构的地震响应。同时还可以看出：隔震后的桥梁结构周期与隔震前桥梁结构的周期相比增加了34.2％，减隔震效果不是很明显，这与桥墩高度、主梁跨度以及铅芯橡胶支座的销铅尺寸、配铅率等因素有关。

铅芯橡胶支座数据分析

地震波采用人工合成波，地震波的选取以及地震动参数的设计参照上文。地震动的输人模式为纵向地震作用+竖向地震作用、横向地震作用+竖向地震作用两种，分别计算了铅芯橡胶支座在顺桥向和横桥向的减隔震情况。

该铅芯橡胶支座的水平纵向滞回曲线所包围的面积大于水平横向滞回曲线所包围的面积，这就说明了在地震作用下，该铅芯支座在顺桥向所消耗的能量大于横桥向，亦即该铅芯橡胶支座在顺桥向的减隔震效果好于在横桥向的。

各墩墩底在隔震后的内力值均要小于隔震前的内力值，但各墩底的面内弯矩、面内剪力值和面外弯矩、面外剪力值在隔震前后的变化规律不一致，隔震的效果也不一样。其中，1号墩墩底的面内弯矩值和剪力值在隔震前后有较大的变化，隔震效果较好。然而其面外弯矩值、面外剪力值在隔震前后却没多大变化，隔震效果不好；同样，4号墩的隔震效果也不好。2、3、4号墩墩底的面外弯矩值、面外剪力值在隔震前后有所变化，其隔震效果好于1号、4号桥墩，但其隔震效果都没有在纵向的隔震效果好。因此，所选用铅芯橡胶支座在该桥纵向的隔震效果要好于横向。1、4号桥墩墩顶与主梁在纵向和横向的位移差在隔震后的增幅最大，2、3、4号桥墩墩顶与主梁在纵向和横向的位移差在隔震后的也有所增加。这就说明了在桥梁结构中加入减隔震支座，在减小桥墩墩底内力值的同时，墩顶与主梁的位移差也会增大。

通过对高烈度山区桥梁简支梁桥的减隔震分析，得出如下结论：

(1)铅芯橡胶支座可以大大减小桥墩墩底的弯矩和剪力值。铅芯橡胶支座在顺桥向所消耗的能量大于横桥向，也就说明铅芯橡胶支座在顺桥向的减隔震效果好于在横桥向的。

(2)隔震后的桥梁结构周期与隔震前桥梁结构的周期相比增加了34.2％，达到了延长结构周期、降低结构频率的目的。

(3)在纵向地震作用下，墩身较高的墩底弯矩值较大，墩身较矮的墩底剪力值较大。

(4)在桥梁结构中加人减隔震支座，在减小桥墩墩底内力值的同时墩顶与主梁的位移差也会增大。