梁橋高阻尼橡膠支座的減隔震效果與優(yōu)化配置研究

張煜敏，翁光遠(yuǎn)，代建波，石 韻，朱熹育，呂 剛

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710068)

歷次地震災(zāi)害中，橋梁發(fā)生的破壞形式較為多樣，上部結(jié)構(gòu)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，橋梁結(jié)構(gòu)中采用了各種抗震措施，減隔震支座是相對(duì)成熟、應(yīng)用很廣的一類措施。其中高阻尼橡膠隔震支座相對(duì)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(wú)污染、高阻尼比、性能穩(wěn)定、維護(hù)成本低和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高阻尼橡膠支座已經(jīng)進(jìn)行了一系列研究，邵長(zhǎng)江等學(xué)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(xué)真等學(xué)者對(duì)高阻尼橡膠支座的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)高阻尼橡膠支座能降低地震作用力，對(duì)整體結(jié)構(gòu)有限位作用，并能有效控制橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[3]。陳彥江等學(xué)者通過(guò)豎向壓縮和水平剪切加載實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)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(gòu)承受的地震能量，相對(duì)與板式支座有更好的減隔震效果。Mahmoud S等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)高阻尼橡膠支座對(duì)柔性地基上的剛性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有較大的影響，對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較弱[6]。Spyrakos C C等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)低矮結(jié)構(gòu)以及剛性結(jié)構(gòu)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(yàn)證，但其在實(shí)橋中的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，在梁式橋中的合理配置方式還沒(méi)有較為完善的方案，針對(duì)這一現(xiàn)狀筆者結(jié)合實(shí)際工程對(duì)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(kāi)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(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)跨預(yù)應(yīng)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(chǎng)地位于鄂爾多斯臺(tái)拗內(nèi)，抗震等級(jí)采用Ⅶ度設(shè)防，基于橋址地震安評(píng)報(bào)告[8]，通過(guò)危險(xiǎn)性分析及綜合評(píng)定調(diào)整，擬合了工程場(chǎng)地未來(lái)50年超越概率63%、10%、2%(小、中、大震)三種不同概率水平下的設(shè)計(jì)地震加速度時(shí)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(shí)程。

圖2 地震加速度時(shí)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(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M，承臺(tái)基底采用固結(jié)模式模擬地基條件。結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05，進(jìn)行非線性時(shí)程方法進(jìn)行分析時(shí)，采用瑞利阻尼[9, 10]。

橋梁原設(shè)計(jì)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(guò)渡墩仍保留采用滑動(dòng)支座。設(shè)計(jì)方案所采用的支座型號(hào)與相應(yīng)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(guò)渡墩處(1、5號(hào)墩)的滑動(dòng)式高阻尼橡膠支座(LNR支座)和連續(xù)墩(2、3、4號(hào)墩)各高阻尼橡膠支座(HDR支座)采用一般連接進(jìn)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(fù)力力學(xué)模型。

2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

2.1 設(shè)計(jì)方案地震響應(yīng)分析

對(duì)原設(shè)計(jì)方案的橋梁結(jié)構(gòu)分別采用小、中、大震地震波進(jìn)行非線性時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)采用高阻尼橡膠支座(工況2)后在地震作用下的各項(xiàng)地震響應(yīng)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(gòu)在地震作用下的各項(xiàng)地震響應(yīng)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，過(guò)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(guò)渡墩的支座位移在各級(jí)地震作用下基本均達(dá)到連續(xù)墩的2倍左右。過(guò)渡墩的墩底彎矩以及墩頂位移相較于連續(xù)墩則相對(duì)較小，隨著地震等級(jí)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(guò)渡墩的1.5倍，而墩頂位移則幾乎為過(guò)渡墩的4倍。該規(guī)律與橋梁結(jié)構(gòu)配置板式橡膠支座時(shí)的趨勢(shì)基本相同。

根據(jù)以上分析可見(jiàn)，滑動(dòng)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(duì)過(guò)渡墩的影響，但卻使連續(xù)墩的受力與過(guò)渡墩相差過(guò)多。同時(shí)，過(guò)渡墩處的滑動(dòng)支座位移過(guò)大，超過(guò)了該處支座的設(shè)計(jì)位移量。

通過(guò)工況1與工況2的不同分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)，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(gòu)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(shí)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(guò)了其容許變形量，不滿足設(shè)計(jì)需求。說(shuō)明高阻尼橡膠支座的采用能起到一定的減震作用，但對(duì)支座在地震作用下的變形能力仍有較高的要求。

表1 原設(shè)計(jì)方案支座參數(shù)

表2 原設(shè)計(jì)方案橋梁地震響應(yīng)

為了使支座在地震作用下的位移滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)增設(shè)其他規(guī)格的支座進(jìn)行試算，通過(guò)提高支座的剛度提高其抗震性能，并選定能夠滿足結(jié)構(gòu)位移需求的支座類型。

2.2 減隔震支座優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決滑動(dòng)式高阻尼橡膠支座在地震作用下的過(guò)大位移問(wèn)題，改變過(guò)渡墩處各支座的剛度參數(shù)，首先選擇的支座型號(hào)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(hào)支座作為最大支座。

對(duì)采用以上支座的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以得到各級(jí)地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，圖3為大震作用下支座位移隨支座剛度變化的趨勢(shì)。

圖3 支座位移隨邊跨LNR支座剛度變化趨勢(shì)

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

因此，考慮將過(guò)渡墩處的滑動(dòng)支座均替換為HDR型支座，通過(guò)增加支座的初始水平剛度增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力，同時(shí)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(guò)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(guò)渡墩處HDR支座剛度變化的趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 支座位移隨邊跨HDR支座剛度變化趨勢(shì)

地震方向地震等級(jí)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(guò)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(guò)渡墩1127181.2729331.018.361.029.030.46連續(xù)墩1007350.7912580.6214.010.672.730.29大震過(guò)渡墩2444571.0858520.9318.931.0032.040.57連續(xù)墩2314010.7534270.7141.280.7617.610.61小震過(guò)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(guò)渡墩988750.8125710.934.040.8013.420.80連續(xù)墩1633931.0622561.0018.271.053.920.42大震過(guò)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(shì)可見(jiàn)，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(shì)，過(guò)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(shí)的65%左右；橫橋向位移減小幅度最大的為5號(hào)墩，由35 cm減小到了21 cm，減小幅度達(dá)到61%。除了1號(hào)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(dòng)支座時(shí)好。

總結(jié)過(guò)渡墩處支座參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響規(guī)律可見(jiàn)，當(dāng)過(guò)渡墩處支座選擇型號(hào)選定為HDR(Ⅱ)620×670×233時(shí)(工況3)，結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)相對(duì)合理。最終將橋梁各支座統(tǒng)一為HDR(Ⅱ)620×670×233型號(hào)，采用該優(yōu)化方案時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)在大震作用下的地震響應(yīng)及與設(shè)計(jì)方案(工況2)的響應(yīng)比值如表3所示。

對(duì)比表3(工況3)及表2(工況2)中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，將設(shè)計(jì)方案的過(guò)渡墩處支座更換為優(yōu)化HDR支座方案后，過(guò)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(guò)渡墩與連續(xù)墩處的墩底彎矩均相對(duì)接近。全橋支座位移相較設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)的20%左右。

由以上分析可見(jiàn)，在抗震設(shè)計(jì)中，LNR滑動(dòng)式高阻尼橡膠支座的應(yīng)用雖然有較好的隔震效果，但卻會(huì)增加設(shè)置滑動(dòng)支座過(guò)渡墩處的支座位移、過(guò)大的減小過(guò)渡墩對(duì)地震荷載的分擔(dān)。當(dāng)過(guò)渡墩也采用HDR高阻尼橡膠支座時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相對(duì)更加理想，過(guò)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(dān)地震荷載相對(duì)均衡，且過(guò)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(guò)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(huì)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(guò)渡墩處HDR支座滯回曲線

3 結(jié) 論

通過(guò)分析對(duì)比橋梁結(jié)構(gòu)采用板式橡膠支座及不同組合形式高阻尼橡膠支座時(shí)，結(jié)構(gòu)在小、中、大震作用下的地震響應(yīng)變化規(guī)律，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的過(guò)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(dòng)支座的橋梁在過(guò)渡墩與連續(xù)墩間的內(nèi)力及位移差異較大，地震等級(jí)越大差別越明顯。在大震作用下連續(xù)墩與過(guò)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(guò)渡墩的4倍，全橋各墩的荷載分配情況很不理想。過(guò)渡墩處LNR滑動(dòng)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(yuǎn)超過(guò)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(gòu)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(shí)的80%以下。高阻尼橡膠支座能夠在整個(gè)地震過(guò)程中能夠發(fā)揮較好的耗能減震作用，但滑動(dòng)支座在地震作用下的位移普遍較大。

(3)為了控制過(guò)渡墩處滑動(dòng)支座的過(guò)大位移，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)增加過(guò)渡墩處LNR高阻尼滑動(dòng)支座的剛度，但在滑動(dòng)支座范圍內(nèi)的調(diào)整對(duì)支座位移的減小及各墩間荷載的分配均不理想。將過(guò)渡墩處支座換為初始水平剛度較大的HDR類支座，并對(duì)支座剛度進(jìn)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(xiàng)地震響應(yīng)均有一定程度的減小，且過(guò)渡墩與連續(xù)墩的彎矩值相對(duì)更為接近，對(duì)地震荷載的分擔(dān)更為合理。支座在各級(jí)地震下的位移基本均控制在支座的容許位移量范圍內(nèi)。