張煜敏，翁光遠，代建波，石 韻，朱熹育，呂 剛

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710068)

歷次地震災害中，橋梁發(fā)生的破壞形式較為多樣，上部結(jié)構的破壞主要表現(xiàn)為主梁縱橫向位移、落梁、伸縮裝置剪切變形等，此類破壞大多伴隨支座等支撐連接件的失效。為了減小地震作用對橋梁結(jié)構的破壞，橋梁結(jié)構中采用了各種抗震措施，減隔震支座是相對成熟、應用很廣的一類措施。其中高阻尼橡膠隔震支座相對于低阻尼天然及合成橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座，具有無污染、高阻尼比、性能穩(wěn)定、維護成本低和耐久性好等優(yōu)點[1]。

國內(nèi)外學者針對高阻尼橡膠支座已經(jīng)進行了一系列研究，邵長江等學者分析高阻尼橡膠支座在連續(xù)梁橋上的減隔震性能發(fā)現(xiàn)，高阻尼橡膠支座具有較好的減隔震性能[2]。莊學真等學者對高阻尼橡膠支座的力學性能進行了系統(tǒng)的試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)高阻尼橡膠支座能降低地震作用力，對整體結(jié)構有限位作用，并能有效控制橋梁結(jié)構的地震反應[3]。陳彥江等學者通過豎向壓縮和水平剪切加載實驗表明，高阻尼隔震橡膠支座的滯回曲線飽滿、耗能效果好且穩(wěn)定[4]。文獻[5]通過對比高阻尼橡膠支座與板式橡膠支座的隔震效果發(fā)現(xiàn)，高阻尼橡膠支座能夠在地震履歷中充分發(fā)揮其隔震、吸收地震能量的作用，減少上部結(jié)構承受的地震能量，相對與板式支座有更好的減隔震效果。Mahmoud S等學者研究發(fā)現(xiàn)高阻尼橡膠支座對柔性地基上的剛性結(jié)構地震響應有較大的影響，對柔性結(jié)構的影響相對較弱[6]。Spyrakos C C等學者研究發(fā)現(xiàn)低矮結(jié)構以及剛性結(jié)構受到有阻尼隔震措施的影響更大[7]。

盡管高阻尼橡膠支座的隔震效果已得到驗證，但其在實橋中的應用仍處于初級階段，在梁式橋中的合理配置方式還沒有較為完善的方案，針對這一現(xiàn)狀筆者結(jié)合實際工程對高阻尼橡膠支座的減震耗能效果以及梁式橋高阻尼橡膠支座的優(yōu)化配置方式展開研究。

1 工程概況及有限元模擬

本研究的工程背景為一座4×50 m連續(xù)梁橋，上部結(jié)構為標準跨預應力T梁形式，單幅橋面寬12.15 m，T梁高2.8 m。橋墩采用薄壁空心墩，橋墩高度分別為35.5 m、53.5 m、75 m、72 m、42.5 m，全橋的立面布置圖如圖1所示。

圖1 全橋立面布置圖

本橋所處工程場地位于鄂爾多斯臺拗內(nèi)，抗震等級采用Ⅶ度設防，基于橋址地震安評報告[8]，通過危險性分析及綜合評定調(diào)整，擬合了工程場地未來50年超越概率63%、10%、2%(小、中、大震)三種不同概率水平下的設計地震加速度時程各三條，圖2中分別為小、中、大震中的其中一條地震加速度時程。

圖2 地震加速度時程

采用有限元軟件Midas/civil建立橋梁模型，主梁、蓋梁及橋墩等主要結(jié)構均采用梁單元模擬，承臺基底采用固結(jié)模式模擬地基條件。結(jié)構的阻尼比為0.05，進行非線性時程方法進行分析時，采用瑞利阻尼[9, 10]。

橋梁原設計支座形式為板式橡膠支座，但為了滿足橋梁的抗震需求，將板式支座替換為高阻尼橡膠支座，過渡墩仍保留采用滑動支座。設計方案所采用的支座型號與相應的容許位移值如表1所示。

其中，板式支座采用彈性連接模擬，過渡墩處(1、5號墩)的滑動式高阻尼橡膠支座(LNR支座)和連續(xù)墩(2、3、4號墩)各高阻尼橡膠支座(HDR支座)采用一般連接進行模擬，高阻尼橡膠支座在地震中的非線性變化模擬為雙線性恢復力力學模型。

2 結(jié)構地震響應分析

2.1 設計方案地震響應分析

對原設計方案的橋梁結(jié)構分別采用小、中、大震地震波進行非線性時程分析，結(jié)構采用高阻尼橡膠支座(工況2)后在地震作用下的各項地震響應最大值及與采用板式橡膠支座(工況1)的比值如表2所示。

從表2中橋梁結(jié)構在地震作用下的各項地震響應數(shù)據(jù)可見，過渡墩處的支座位移以及墩底剪力比連續(xù)墩的位移量大很多，過渡墩的支座位移在各級地震作用下基本均達到連續(xù)墩的2倍左右。過渡墩的墩底彎矩以及墩頂位移相較于連續(xù)墩則相對較小，隨著地震等級的增加差異更大，在大震作用下連續(xù)墩的墩底彎矩幾乎為過渡墩的1.5倍，而墩頂位移則幾乎為過渡墩的4倍。該規(guī)律與橋梁結(jié)構配置板式橡膠支座時的趨勢基本相同。

根據(jù)以上分析可見，滑動型高阻尼橡膠支座與四氟滑板式橡膠支座雖能減小地震荷載對過渡墩的影響，但卻使連續(xù)墩的受力與過渡墩相差過多。同時，過渡墩處的滑動支座位移過大，超過了該處支座的設計位移量。

通過工況1與工況2的不同分析結(jié)果進行對比可見，與板式橡膠支座相比，高阻尼橡膠支座的采用可以減小橋梁結(jié)構在地震作用下的墩底彎矩、墩底剪力以及墩頂位移，大多能減小到采用板式支座時的80%左右。在地震作用下的支座位移與板式橡膠支座相比大部分有少量較小，但在大震作用下，支座的位移量均超過了其容許變形量，不滿足設計需求。說明高阻尼橡膠支座的采用能起到一定的減震作用，但對支座在地震作用下的變形能力仍有較高的要求。

表1 原設計方案支座參數(shù)

表2 原設計方案橋梁地震響應

為了使支座在地震作用下的位移滿足設計需求，對橋梁結(jié)構增設其他規(guī)格的支座進行試算，通過提高支座的剛度提高其抗震性能，并選定能夠滿足結(jié)構位移需求的支座類型。

2.2 減隔震支座優(yōu)化設計

為了解決滑動式高阻尼橡膠支座在地震作用下的過大位移問題，改變過渡墩處各支座的剛度參數(shù)，首先選擇的支座型號由LNR420×470×159增至LNR620×670×204，水平剛度以250 kN/m作為增量，由2 000 kN/m增加到3 000 kN/m，以T梁馬蹄尺寸允許的最大型號支座作為最大支座。

對采用以上支座的橋梁結(jié)構進行分析，可以得到各級地震作用下橋梁結(jié)構的地震響應，圖3為大震作用下支座位移隨支座剛度變化的趨勢。

圖3 支座位移隨邊跨LNR支座剛度變化趨勢

從支座位移隨過渡墩處LNR支座剛度的變化趨勢可見，橋梁結(jié)構在地震作用下支座位移隨著過渡墩處支座剛度的增加變化幅度不大，過渡墩處的支座位移比連續(xù)墩處減小幅度相對較大，但最大僅減小到支座剛度最小時的80%，依然超過了容許位移量，而過渡墩對地震作用的分擔亦不理想。

因此，考慮將過渡墩處的滑動支座均替換為HDR型支座，通過增加支座的初始水平剛度增強橋梁結(jié)構的抗震能力，同時優(yōu)化地震荷載在各橋墩間的分配。

HDR型支座的選擇與LNR支座參數(shù)分析的情況類似，以280 kN/m為增量，由2170 kN/m增加到3 260 kN/m，最終選擇HDR620×670×233為過渡墩的最大支座。大震作用下橋梁墩底彎矩及支座位移隨過渡墩處HDR支座剛度變化的趨勢如圖4所示。

圖4 支座位移隨邊跨HDR支座剛度變化趨勢

地震方向地震等級橋墩位置墩底彎矩/(kN·m)工況3/工況2墩底剪力/kN工況3/工況2墩頂位移/cm工況3/工況2支座位移/cm工況3/工況2小震過渡墩544181.7715911.453.811.442.120.36連續(xù)墩370470.784330.444.920.710.630.33順橋向中震過渡墩1127181.2729331.018.361.029.030.46連續(xù)墩1007350.7912580.6214.010.672.730.29大震過渡墩2444571.0858520.9318.931.0032.040.57連續(xù)墩2314010.7534270.7141.280.7617.610.61小震過渡墩481231.039820.861.880.931.120.20連續(xù)墩670101.077500.787.491.101.120.56橫橋向中震過渡墩988750.8125710.934.040.8013.420.80連續(xù)墩1633931.0622561.0018.271.053.920.42大震過渡墩2558790.9549960.8510.640.9619.960.42連續(xù)墩3204950.8047140.9737.290.8015.670.52

從圖4中支座位移的變化趨勢可見，各墩順、橫橋向支座位移均隨著支座剛度的增加呈減小趨勢，過渡墩處的順橋向支座位移減小幅度最大，幾乎減小到了支座剛度為2 170 kN/m時的65%左右；橫橋向位移減小幅度最大的為5號墩，由35 cm減小到了21 cm，減小幅度達到61%。除了1號墩外其他支座變形均控制在支座的容許位移286 mm范圍內(nèi)，支座位移的控制效果比采用LNR滑動支座時好。

總結(jié)過渡墩處支座參數(shù)對結(jié)構地震響應的影響規(guī)律可見，當過渡墩處支座選擇型號選定為HDR(Ⅱ)620×670×233時(工況3)，結(jié)構在地震作用下的響應相對合理。最終將橋梁各支座統(tǒng)一為HDR(Ⅱ)620×670×233型號，采用該優(yōu)化方案時橋梁結(jié)構在大震作用下的地震響應及與設計方案(工況2)的響應比值如表3所示。

對比表3(工況3)及表2(工況2)中數(shù)據(jù)可見，將設計方案的過渡墩處支座更換為優(yōu)化HDR支座方案后，過渡墩順橋向的墩底彎矩、墩底剪力及墩頂位移都有一定的增加，且過渡墩與連續(xù)墩處的墩底彎矩均相對接近。全橋支座位移相較設計方案均有較大幅度的減小，大震作用下支座位移幾乎都是工況2時的1/2左右，小震作用下的橫橋向支座位移可以減小到工況2時的20%左右。

由以上分析可見，在抗震設計中，LNR滑動式高阻尼橡膠支座的應用雖然有較好的隔震效果，但卻會增加設置滑動支座過渡墩處的支座位移、過大的減小過渡墩對地震荷載的分擔。當過渡墩也采用HDR高阻尼橡膠支座時，橋梁結(jié)構的地震響應相對更加理想，過渡墩的墩底彎矩及剪力與連續(xù)墩較為接近，全橋各墩參與分擔地震荷載相對均衡，且過渡墩處的支座位移有了較大幅度的減小，均能控制在支座的極限位移429 mm范圍內(nèi)。

圖5為過渡墩處HDR高阻尼橡膠支座在大震作用下的滯回曲線。從圖5中可以看出，HDR高阻尼橡膠支座在地震作用下將會發(fā)生屈服，從而能夠基于位移產(chǎn)生滯回耗能，吸收地震能量，起到隔震耗能作用。

圖5 過渡墩處HDR支座滯回曲線

3 結(jié) 論

通過分析對比橋梁結(jié)構采用板式橡膠支座及不同組合形式高阻尼橡膠支座時，結(jié)構在小、中、大震作用下的地震響應變化規(guī)律，對橋梁結(jié)構在地震作用下的過大位移選擇優(yōu)化的支座組合形式，得到如下結(jié)論：

(1)邊跨處采用滑動支座的橋梁在過渡墩與連續(xù)墩間的內(nèi)力及位移差異較大，地震等級越大差別越明顯。在大震作用下連續(xù)墩與過渡墩的墩底彎矩相差較大，而連續(xù)墩的墩頂位移則幾乎為過渡墩的4倍，全橋各墩的荷載分配情況很不理想。過渡墩處LNR滑動式高阻尼橡膠支座的位移量是連續(xù)墩處HDR高阻尼橡膠支座的3倍左右，在大震作用下均遠超過支座的容許位移量。

(2)高阻尼橡膠支座與相同承載力的板式橡膠支座相比，能夠減小橋梁結(jié)構在地震作用下的墩底彎矩、墩底剪力以及墩頂位移，幾乎能夠減小到采用板式支座時的80%以下。高阻尼橡膠支座能夠在整個地震過程中能夠發(fā)揮較好的耗能減震作用，但滑動支座在地震作用下的位移普遍較大。

(3)為了控制過渡墩處滑動支座的過大位移，在設計允許范圍內(nèi)增加過渡墩處LNR高阻尼滑動支座的剛度，但在滑動支座范圍內(nèi)的調(diào)整對支座位移的減小及各墩間荷載的分配均不理想。將過渡墩處支座換為初始水平剛度較大的HDR類支座，并對支座剛度進行改變后發(fā)現(xiàn)，隨著HDR支座剛度的增加橋梁在地震作用下的各項地震響應均有一定程度的減小，且過渡墩與連續(xù)墩的彎矩值相對更為接近，對地震荷載的分擔更為合理。支座在各級地震下的位移基本均控制在支座的容許位移量范圍內(nèi)。