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桥梁抗震剪力键的力学模拟及减震效应研究

摘要：针对一种带剪力键的滑板式橡胶支座系统的减震效果进行分析，根据基于性能的

抗震设计思想以及我国抗震规范的规定，以桥墩内力和主梁位移为控制目标，明确了剪力键

在正常使用、常遇地震、罕遇地震3种阶段下的性能目标，由此提出了剪力键的设计计算方

法，结合数值分析方法建立了剪力键恢复力模型并给出了简易计算公式.以某等跨径桥梁为

例，选取6条地震波，运用OpenSees建立了桥梁非线性动力模型并进行时程分析.结果表明：

剪力键数目对滑板式橡胶支座的减震效果影响显著，合理布置剪力键能有效地防止主梁在常

遇地震下发生滑移、明显减小震后残余位移，同时可大幅降低罕遇地震下桥墩内力.剪力键

和滑板式橡胶支座的组合既能保证正常情况的适用性又能起到较好的减隔震效果.

关键词：桥梁；剪力键；滑板式橡胶支座；地震响应；减隔震设计

从2008年汶川地震桥梁震害5中可发现，一些因支座破坏导致主梁滑移错位的桥梁，其

下部结构大多未出现明显损伤，这是由于支座滑动后能有效地减小主梁传递至下部结构的荷

载，从而保护下部结构不受损伤，这同减隔震设计的思路是一致的.但支座破坏时并非一定

出现滑移现象，还可能发生支座被“锁死”，此时就犹如固定支座一样，这将显著增大桥墩内

力.由此可见，支座的滑移的确能起到保护下部结构的作用.但利用支座破坏后滑移来减隔震

并不一定可靠，设置滑板支座的桥梁通过主梁滑动来减小主梁传递至下部结构的荷载，在保

证桥梁抗震能力的同时可减小桥墩的尺寸.但由于滑板支座的低摩擦力，易导致主梁在常遇

地震下发生纵向滑移.为改善该问题，本文提出一种外设剪力键的滑板橡胶支座系统.

在该支座系统中，剪力键作为一种“熔断保护装置”，在罕遇地震下能发生破坏，隔断上部

结构传递至下部结构的惯性力，减小桥墩损伤，同时因剪力键破坏，支座产生滑移，充分发

挥滑板橡胶支座摩擦耗能的能力，从而起到减隔震作用.而在常遇地震下，剪力键保持弹性

状态，这既提高了支座整体刚度，也提供了足够的恢复力，防止主梁发生纵向滑移.Nielson

和Choi等6-7介绍了剪力键在OpenSees中的模拟方法；聂利英等8模拟了剪力键的力学性

能，并对剪力键在异型板桥中的抗震性能进行了研究；夏修身等9对剪力键工作及破坏阶段

分别进行了分析模拟，认为剪力键对位移峰值影响较小，但对墩底内力影响较大.孟兮10、

陈浩11等人对剪力键进行了试验模拟和分析.以上这些研究从不同角度对剪力键抗震性能进

行了分析，但均偏重于定性分析，缺少剪力键的定量分析.剪力键设置的不合理可能导致结

构产生更大损伤.如何确定剪力键数量、尽量减小桥墩结构在地震中的损伤，同时体现基于

性能的抗震设计思想，对改善结构的抗震性能尤为重要.

基于此，本文首先阐述了带剪力键的支座系统分阶段工作原理，根据基于性能的抗震设计

思想并结合我国《规范》要求，明确地提出了剪力键的设计计算方法，采用数值分析方法给

出了简易计算公式，以及支座系统在OpenSees中模拟方法.最后，结合一个具体算例，通过

非线性时程分析，分析剪力键的减隔震效果，对比了不同数目的剪力键设置对减隔震效果的

影响，验证了本文提出的剪力键设计方法的合理性.

1支座系统工作原理

本文所述支座系统主要包括两个部分：钢销剪力键和聚四氟乙烯滑板式橡胶支座，如图1

所示.剪力键其一端嵌固于盖梁中，另一端伸入梁体但与梁体存在一定的间隙.上部结构自重

产生的竖向力由聚四氟乙烯滑板式橡胶支座承担，而地震作用下产生的惯性力由支座和剪力

键共同承担.在实际工程中，剪力键可采用盖梁处竖向钢筋外伸至梁底予以实现；间隙则通

过主梁浇筑前，在钢筋周围包裹所需厚度的泡沫层予以实现.