橋梁HDR高阻尼橡膠支座減隔震性能研究

趙利強

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

我國是一個強震多發(fā)的國家，近十多年來，我國國土發(fā)生6級以上的地震約達800次，地震的特點是發(fā)生頻率高、強度大、分布范圍廣、傷亡大、損失大、災(zāi)害比較嚴(yán)重。

橋梁工程作為交通線上的樞紐工程、生命線工程，一旦被震壞，將為震后救災(zāi)工作帶來極大的困難，使次生災(zāi)害加重，給人們的生命財產(chǎn)帶來更加嚴(yán)重的損失，為此，橋梁抗震得到了各國學(xué)者和工程師的極大重視，目前橋梁抗震已成為橋梁設(shè)計的重要內(nèi)容。

1 橋梁震害的特點

1.1 上部結(jié)構(gòu)破壞

總結(jié)歷史上眾多橋梁震害的特點，我們可以發(fā)現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)以其自身的特殊性和復(fù)雜性，因地震作用而破壞的現(xiàn)象極為少見，但因支承連接件失效或下部結(jié)構(gòu)失效等引起的落梁現(xiàn)象在破壞性地震中常有發(fā)生[1]。在落梁破壞中，順橋向的落梁占絕大多數(shù)。主梁在順橋向發(fā)生墜落時，梁端撞擊下部結(jié)構(gòu)常又致使橋墩受到很大的破壞。

1.2 支撐連接件破壞

支座、伸縮縫等支承連接件在橋梁工程屬于附屬構(gòu)件，因其造價所占比重很小，體量較小，往往未能引起工程技術(shù)人員的足夠重視，未能深入研究，精細(xì)設(shè)計，然而震害中支撐連接件往往成為橋梁結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。橋梁支座、伸縮縫、錨栓和防震擋塊等的破壞較為普遍，由于支撐連接件失效導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)功能失效也較為常見。

板式橡膠支座的震害表現(xiàn)為剪切變形過大、四氟滑板脫落、支座脫空等現(xiàn)象；盆式橡膠支座震害表現(xiàn)為錨固螺母被剪斷或被剪變形、支座劈裂撕裂、支座滑出、橡膠密封圈被擠出及支座脫空等現(xiàn)象；球型橡膠支座的震害表現(xiàn)為支座轉(zhuǎn)角超過設(shè)計值，錨固螺母被剪斷或被剪變形等現(xiàn)象。

伸縮縫的震害表現(xiàn)為擠壓變形破壞和剪切變形破壞。

1.3 下部結(jié)構(gòu)的破壞

對于鋼筋混凝土墩臺，震害現(xiàn)象表現(xiàn)為混凝土保護層剝落、墩、臺身開裂和縱向鋼筋屈曲等，嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象還包括墩臺的嚴(yán)重傾斜、剪斷或折斷、倒塌等；對于鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)的墩柱，震害現(xiàn)象表現(xiàn)為屈曲失穩(wěn)，從而喪失承載能力。

1.4 橋梁基礎(chǔ)的破壞

大量震害資料顯示，擴大基礎(chǔ)的破壞一般由地基失效引起，樁基礎(chǔ)的破壞，除了地基失效這一主要原因外，還有上部結(jié)構(gòu)傳下來的慣性力所引起的樁基剪切、彎曲破壞；更有樁基設(shè)計不當(dāng)所引起的破壞，如樁基沒有深入穩(wěn)定土層足夠長度，樁頂與承臺聯(lián)結(jié)的構(gòu)造措施不足等。

2 HDR橡膠支座隔震機理

HDR支座是采用復(fù)合橡膠材料制成的具有較高阻尼性能的隔震橡膠支座。橡膠材料本身黏滯性大，吸能能力強，在地震作用下，支座變形產(chǎn)生大阻尼，大量消耗進入系統(tǒng)的能量，能夠有效減小支座的峰值剪切力，不僅能夠確保支座不被剪壞，而且能將上部結(jié)構(gòu)傳遞給橋墩、橋臺的地震作用控制在一定的范圍內(nèi)，降低橋梁結(jié)構(gòu)的地震力響應(yīng)。另外，HDR支座耐疲勞性能好、復(fù)位能力強、耐久性好，且經(jīng)濟環(huán)保，安裝、養(yǎng)護、維修、更換方便，適用于9度及以下地震烈度區(qū)的各類公路及市政橋梁。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 工程概況

大同至呼和浩特公路山西境大同至右衛(wèi)段高速公路第六合同段K57+540鵲兒河大橋，橋面凈寬11 m，橋梁全長131 m，右前角90°，上部結(jié)構(gòu)采用5孔25 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、柱式臺、肋板臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

鵲兒河大橋橋型布置圖見圖1。

圖1 鵲兒河大橋橋型布置圖（單位：cm）

本項目場地地震峰值加速度為0.1g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.4 s，場地類別為Ⅱ，地震基本烈度為Ⅶ。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008），本橋?qū)貰類橋梁，采用兩級設(shè)防。即E1地震作用下（經(jīng)抗震設(shè)計后），所有構(gòu)件保持彈性，震后無需修復(fù)即可通車；E2地震作用下，應(yīng)保證橋梁不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用。具體見表1。

表1 B類橋梁工程抗震設(shè)防性能目標(biāo)

3.2 對比分析

本文采用有限元程序Midas Civil 2015建立有限元模型，對比普通板式橡膠支座和HDR高阻尼橡膠支座在地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，研究HDR高阻尼橡膠支座的隔震性能。

3.2.1 有限元模型

建立模型中，主梁、橋墩、系梁和樁基均采用梁單元，在E1地震作用下的多振型非彈性反應(yīng)譜分析計算時，普通板式橡膠支座、四氟滑板橡膠支座、DHR隔震支座以及滑動型支座均采用彈性連接，在進行E2地震作用下的非線性時程分析計算時，普通板式橡膠支座采用彈性連接，四氟滑板橡膠支座、DHR隔震支座以及滑動支座采用一般連接中雙線性恢復(fù)力模型[2]。

支座布置：普通板式支座方案，1、2、3、4 號墩設(shè)置GJZ300×450×63普通板式橡膠支座，橋臺處設(shè)置GYZF4300×450×65滑板式橡膠支座；HDR隔震支座方案，1、2、3、4 號墩設(shè)置 HDR(Ⅰ)d370×177-G1.0固定型高阻尼隔震橡膠支座，橋臺處設(shè)置LNR(H)-d270×109滑動型天然橡膠支座。高阻尼隔震橡膠支座的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 HDR高阻尼隔震橡膠支座計算參數(shù)

GJZ300×450×63普通板式橡膠支座，其主要力學(xué)特性：豎向承載力Rck=1 276 kN，動剪切模量Gd=1.2 MPa，水平抗剪剛度Kh=3 600 kN/m，摩擦系數(shù)μ=0.3，抗滑最小承載力RGk=473 kN，最大位移量Δ=28 mm；GYZF4300×450×65滑板式橡膠支座，其主要力學(xué)特性：摩擦系數(shù)μ=0.06，滑動前水平剛度K0=3 600 kN/m。有限元模型見圖2。

圖2 鵲兒河大橋有限元模型

3.2.2 地震波輸入

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008），根據(jù)本項目地震烈度和場地土類別，采用和場址場地土條件相近的天然地震波，經(jīng)調(diào)整得到和設(shè)計加速度反應(yīng)譜兼容的一組地震波（B類橋梁E1地震下抗震重要性系數(shù)取0.5，E2地震下抗震重要性系數(shù)取1.7），地震波形見圖3、圖4。

圖3 E1水平地震動加速度時程（0.5）

圖4 E2水平地震動加速度時程（1.7）

3.2.3 計算結(jié)果及對比分析

根據(jù)不同支座類型，不同墩高，分別計算了E1和E2地震作用下橋梁的地震響應(yīng)，E2地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)見圖5。

圖5 第一階模態(tài)響應(yīng)圖(HDR隔震支座方案)

計算結(jié)果見表3、表4、表5、表6。

表3 E1地震作用下普通制作方案計算結(jié)果

表4 E1地震作用下HDR高阻尼隔震支座方案計算結(jié)果

表5 E2地震作用下普通制作方案計算結(jié)果

表6 E2地震作用下HDR高阻尼隔震支座方案計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果分析可知，HDR高阻尼隔震橡膠支座與普通板式橡膠支座相比：

a）在E1地震作用下，墩底順橋向彎矩可減小約0.9%～1%，橫橋向彎矩可減小約3.5%～5%，墩頂順橋向位移和支座剪切位移均無明顯差異，這是因為E1地震作用下，結(jié)構(gòu)尚處于彈性工作狀態(tài)，支座變形不大，消能隔震效果不明顯。

b）在E2地震作用下，墩底順橋向彎矩可減小約28.9%～30.2%，橫橋向彎矩可減小約31.9%～32.3%，墩頂順橋向位移減小量不大，支座剪切位移增大約11.5%～18.5%，支座耗能效應(yīng)明顯，隔震效果較好。

4 結(jié)論

HDR高阻尼隔震支座以其優(yōu)越的滯回耗能特性，能夠有效地減少橋墩承受的彎矩和剪力，降低墩頂縱、橫向位移，具有優(yōu)良的減隔震效果。由此可見，隔震支座可以有效地改善橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力狀況，確保橋梁整體及構(gòu)件在各水準(zhǔn)地震設(shè)防下的性能與目標(biāo)的實現(xiàn)，在保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全的同時可優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)橋梁的安全性、經(jīng)濟型和人性化設(shè)計。