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桥梁板式橡胶支座典型震害特征回顾与总结

1) 完全粘结约束条件下：以2011年东日本大地震和2016年熊本大地震为例

在上下部完全约束条件下，板式支座的在极端地震作用下容易出现支座结构本身的破坏，包括橡胶层与钢板之间的撕裂剥离，以及支座上下约束处的破坏（例如锚固螺栓的断裂）。此两类损伤破坏模式的最终后果则可能会使主梁与下部结构产生较大的相对位移，严重的会导致支座落座、主梁落梁等。

2) 完全非粘结约束条件下：以2008年汶川大地震为例

当板式橡胶支座处于一种完全非粘结约束条件下，例如在汶川大地震中，板式支座普遍出现的震害特征是支座与主梁或者下部结构产生摩擦滑移，同时伴有支座本身的挤压和翘曲等行为，与完全粘结的支座相比，支座结构本身损伤的几率较低。支座滑移造成的后果就是主梁产生较大的移位，从而撞击桥台背墙和混凝土挡块等构件，使其过早破坏，同时支座落座和主梁落梁的严重震害现象在汶川地震中也有发生。此外，由于缺乏有效约束，此类支座在地震力作用下还容易发生滚落现象，即震后支座完全脱离最初设计位置。

对于上下完全粘结的板式橡胶支座来说，在地震作用下支座会承受复杂的多重作用力，如竖向力，剪切力，竖向力P-Delta效应等，同时对于桥墩以弯曲变形为主的连续梁桥来说，主梁与桥墩之间还会对橡胶支座产生纯弯曲变形。这种复杂的受力状态极易造成橡胶支座过早发生剪切破坏，当橡胶支座被剪断之后，主梁与上部结构之间便丧失了主要的横向约束，此后主梁会沿着断裂面发生摩擦滑动，直至支座落座或主梁落梁。在日本目前设计规范中，上下部结构之间的相对转动引起的纯弯曲变形尚未在橡胶支座的抗震设计中加以考虑，而在2016年熊本大地震中，出现了橡胶支座顶板螺栓被剪断的震害，这类震害很大的一部分原因就是在设计支座粘结约束的时候忽略了纯弯曲变形引起的作用效应。

而对于完全无粘结橡胶支座来说，在水平地震力作用下，支座的剪切变形会逐渐增大，但会伴随着产生挤压和翘曲的局部变形，随着地震力的不断增大，翘曲变形逐渐增大，水平力也逐渐达到临界摩擦力，此后滚动与摩擦滑动组合将成为支座的主要运动模式，最终无粘结约束的板式支座会被主梁与下部结构挤出，主梁也随之失去主要的支承，造成落梁震害。目前中国规范在对橡胶支座进行设计时，被没有考虑此类复杂的支座地震行为模式，而在实际大地震中，当限位装置如混凝土挡块发生破坏之后，无粘结约束的板式支座极易发生滚动与滑动组合的运动行为，而此类行为又很难加以模拟，从而对桥梁防落梁设计造成一定的困扰。

今年来的研究表明，近场地震动会对高墩桥梁等长周期结构针对在以往地震中板式橡胶支座出现的各种典型震害特征，并总结目前支座约束体系设计中存在的问题，提出了一种新型的板式橡胶支座约束体系，即上端粘结约束，下端无约束，以期对支座的抗震力学行为起到一定的优化。本文提出的支座约束体系一方面可以释放完全约束支座的复杂受力状态，避免由此产生的局部应力集中破坏（如锚固螺栓拉剪断裂），另一方面可以依靠下端无约束面的滑移产生稳定的摩擦耗能机制，从而降低结构地震响应。对于一端约束的板式橡胶支座的抗震设计，需要考虑到支座水平等效剪切刚度（局部翘曲变形效应），滑动摩擦系数取值，以及最为重要的适宜的限位装置的选择与设计。限位装置的设计的核心原则是要允许板式支座具有一定的滑动摩擦空间，但滑动位移需要控制在一定范围内避免造成严重的落梁震害，要保持下部桥墩损伤与上部主梁位移之间的有效平衡。