采用高阻尼支座的PHC管樁橋梁抗震性能分析

逯宗典

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430056）

0 引 言

隨著建造技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝越來越多地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及交通建設(shè)；安全環(huán)保的工廠化裝配式構(gòu)件在提高生產(chǎn)效率、保證施工質(zhì)量及緩解勞動力缺口方面優(yōu)勢明顯。對于橋梁比例高、樁基數(shù)量多的項(xiàng)目，常規(guī)鉆孔灌注樁施工周期長，已嚴(yán)重制約項(xiàng)目工期，為此可快速施工的預(yù)制樁基被應(yīng)用于橋梁建設(shè)。預(yù)制PHC管樁工廠離心法預(yù)制，高壓養(yǎng)護(hù)3～4天即可使用，較普通PC樁28天的生產(chǎn)周期大大縮減，同時采用高強(qiáng)混凝土，單樁承載力較PC樁高，預(yù)制樁徑較PC樁大，應(yīng)用范圍較PC樁廣，橋梁基礎(chǔ)一般采用PHC管樁較多。預(yù)制PHC管樁采用沉樁法施工，不需要泥漿池及沉淀池，現(xiàn)場施工速度快，較鉆孔灌注樁可節(jié)省一半樁基施工工期且環(huán)境保護(hù)宜控，但PHC管樁樁徑較小，壁厚薄，一般7～15 cm，沉樁地質(zhì)條件要求高，抗震性能較鉆孔灌注樁差，一般在低烈度區(qū)采用。邸昊建議增加普通鋼筋改善PHC管樁抗震性能［1］，王鐵成等建議通過填芯改善PHC管樁在往復(fù)荷載下的延性性能［2］。高烈度區(qū)應(yīng)用較少，往往需考慮配合減隔震等措施使用。國內(nèi)常用的減隔震裝置有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺式減隔震支座等。摩擦擺式支座一般適用于支座噸位較大的橋梁，鉛芯橡膠隔震支座在使用過程中橡膠逐漸老化、開裂，鉛芯也會對周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，且鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能也受到不同程度的折減，因此對環(huán)境沒有污染且具備穩(wěn)定性能的高阻尼橡膠隔震支座具有較高的需求性。國內(nèi)對高阻尼橡膠支座的研究較多，張煜敏對常規(guī)高速梁橋采用高阻尼橡膠支座優(yōu)化配置和抗震性能進(jìn)行了分析［3］，李宇等對常規(guī)現(xiàn)澆下構(gòu)高阻尼橡膠支座橋梁近場下的隔震特性進(jìn)行了分析，得出近場下HDR能有效降低地震作用，但支座剛度硬化比太大會減少耗能能力［4］。目前介紹低烈度區(qū)管樁橋梁的文獻(xiàn)較多，而對于高烈度區(qū)采用管樁的隔震橋梁文獻(xiàn)較少。本文以高烈度水網(wǎng)區(qū)某高速公路一座采用PHC管樁的5×30 m小箱梁為例，探討采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁的動力特性，并通過非線性時程分析法，分析PHC管樁橋梁采用高阻尼橡膠支座的抗震性能，探討在地質(zhì)條件許可下，采用隔震措施后PHC管樁在橋梁基礎(chǔ)應(yīng)用的可行性，為高烈度區(qū)特別是軟土區(qū)橋梁設(shè)計(jì)提供一種思路。

1 高阻尼橡膠支座力學(xué)特性

高阻尼橡膠支座是采用特殊橡膠材料配制的支座，其形狀及構(gòu)造與天然橡膠支座相同，該橡膠材料黏性大，自身可吸收能量，震動過程中將動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到降低振幅的目的。高阻尼橡膠支座由上下連接鋼板、高阻尼橡膠及內(nèi)部加勁鋼板組成，如圖1所示，高阻尼橡膠支座不但具有普通橡膠支座的承載特性，而且具有較高的阻尼特性，其具有優(yōu)良的抗震和抗沖擊破壞能力。靜力狀態(tài)時其等效剛度Ks=ARGs/∑tr，Gs為靜荷載下高阻尼橡膠的剪切模量。動力分析中，通常采用修正的雙線性模型來模擬高阻尼橡膠支座的滯回特性，如圖2所示。

圖1 高阻尼橡膠支座構(gòu)造及安裝圖（單位：mm）Fig.1 Structure and installation drawing of high damping rubber bearing（Unit：mm）

圖2 高阻尼橡膠支座的等效雙線性恢復(fù)力模型Fig.2 Equivalent bilinear restoring force model of high damping rubber bearing

高阻尼橡膠支座的等效剛度Keff=Fd/Dd=Qd/Dd+Kd。其等效阻尼比計(jì)算如下：

式中：Dd、Δy分別為高阻尼橡膠支座的水平設(shè)計(jì)位移（m）和屈服位移（m）；Kd為高阻尼橡膠支座的曲后剛度（kN/m）；Qd為高阻尼橡膠支座的特征強(qiáng)度（kN）即滯回曲線正向與剪力軸交叉值。

2 抗震性能分析

2.1 分析模型

以高烈度水網(wǎng)軟土區(qū)高速公路一聯(lián)5×30 m的五跨連續(xù)小箱梁為研究對象，橋面寬度12.75 m，柱式墩，柱徑1.5 m，柱高10 m；鉆孔灌注樁（樁徑1.8 m）和預(yù)制管樁基礎(chǔ)（PHC800AB110型［5］），分別采用普通橡膠支座（GYZ400×84、GYZF4300×76）和高阻尼橡膠支座方案（HDR-d395、HDRd295）；持力層為中密細(xì)砂。采用空間結(jié)構(gòu)分析程序SAP2000V15建模分析，以桿系單元模擬主梁、橋墩的力學(xué)性能，其中主梁平均每延米重量為21.4 t；以Plasticwen單元模擬高阻尼橡膠支座，以link單元模擬板式橡膠支座特性；以土彈簧考慮樁土相互作用，建立集中質(zhì)量模型，如圖3、圖4所示。

圖3 管樁基礎(chǔ)連續(xù)梁橋模型Fig.3 Model of pipe pile continuous beam bridge

圖4 鉆孔灌注樁連續(xù)梁橋模型Fig.4 Model of bored pile continuous beam bridge

2.2 地震動參數(shù)及反應(yīng)譜計(jì)算

擬建橋址區(qū)為Ⅱ類場地、地震烈度Ⅶ度，場地特征周期Tg為0.4 s，豎向場地系數(shù)Cs為0.6，設(shè)計(jì)基本地震動加速度峰值為0.15g；擬建橋梁為高速公路B類橋梁，E1、E2水準(zhǔn)下水平加速度反應(yīng)譜最大值Smax分別為0.187 5g、0.637 5g，E2水準(zhǔn)下反應(yīng)譜如圖5（a）所示，同時采用3條人工波，具體見圖5（b）-（d）。

圖5 E2水準(zhǔn)下反應(yīng)譜及人工地震波Fig.5 Response spectrum and artificial seismic wave under E2 level earthquake

鉆孔灌注樁橋梁采用普通橡膠支座方案，PHC管樁橋梁分別采用普通橡膠支座方案和高阻尼橡膠支座方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析；鉆孔灌注樁橋梁方案前三階振型分別為縱向振動、反對稱橫向及橫向擺動，PHC管樁橋梁高阻尼橡膠方案前三階振型分別為縱向振動、橫向擺動及反對稱橫向擺動，具體詳見表1，其中周期單位為s。

由表1可知，PHC管樁橋梁普通橡膠支座方案與鉆孔灌注樁橋梁普通橡膠支座方案結(jié)構(gòu)的自振周期分別為2.034 s和2.356 s，兩者相差很小，兩種結(jié)構(gòu)的動力特性相近，抗震性能差別不大。PHC管樁橋梁普通橡膠支座方案及高阻尼橡膠支座方案結(jié)構(gòu)自振周期分別為2.034 s和1.743 s，均位于反應(yīng)譜下降段，大于5Tg（Tg場地特征周期），結(jié)構(gòu)動力特性均較好。由表2反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果可知，E2水準(zhǔn)地震縱向及豎向地震動輸入下，橋墩樁基均受拉，采用普通橡膠支座的PHC管樁橋梁樁基不能滿足抗震需求。綜合表1和表2可知，雖然普通橡膠支座PHC管樁橋梁方案自振周期長、結(jié)構(gòu)動力特性較好，但普通支座不能消耗上部結(jié)構(gòu)傳來的地震能量，樁基受拉，不滿足抗震需求，需增大結(jié)構(gòu)尺寸改善結(jié)構(gòu)體系或采取抗震措施消耗振動能量。

表1 PHC管樁橋梁和鉆孔灌注樁橋梁結(jié)構(gòu)動力特性Table 1 Dynamic characteristics of PHC pipe pile bridge and bored pile bridge

表2 E2水準(zhǔn)地震下普通橡膠支座PHC管樁橋梁樁基內(nèi)力Table 2 Internal pile force of PHC pipe pile bridge with ordinary rubber bearing under E2 level earthquake

2.3 隔震性能檢驗(yàn)

因采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁，可只進(jìn)行E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)和驗(yàn)算［6］，本文僅對E2水準(zhǔn)地震下采用高阻尼橡膠支座HDRd395（等效阻尼比ξeff=0.15）方案進(jìn)行計(jì)算分析。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，橋墩墩底及樁基頂部為關(guān)鍵部分，是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，對采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁采用非線性時程分析法進(jìn)行E2水準(zhǔn)地震下縱向+豎向及橫向+豎向地震動輸入計(jì)算，取3條人工波計(jì)算結(jié)果的最大值，結(jié)果見表3-表5。

表3 E2水準(zhǔn)地震縱向+豎向地震動輸入下橋墩墩底內(nèi)力Table 3 Internal force of pier bottom under longitudinal and vertical seismic input of E2 level earthquake

由表3可知，E2水準(zhǔn)地震縱向+豎向地震動輸入下，采用高阻尼橡膠支座后，動軸力減少，橋墩墩底軸力增加；墩底剪力及彎矩均大幅減少，墩底彎矩的減震率約44%，地震力大幅減少，減震效果顯著。由表4可知，管樁軸力均為壓力，而管樁剪力及彎矩均較小；綜合表2和表4可知，縱向+豎向地震動輸入時，采用高阻尼橡膠支座后，PHC管樁動軸力、剪力及彎矩均大幅減少；PHC管樁彎矩減震率約48%；減震效果較好；對于橫向+豎向地震動輸入因采用高阻尼橡膠支座后，橫向框架力進(jìn)行重新分配，PHC管樁受壓、截面承載力均滿足要求且有一定的富裕。

表4 E2水準(zhǔn)地震動輸入下管樁內(nèi)力Table 4 Internal force of pipe pile under E2 level earthquake

由表5可知，采用高阻尼橡膠支座后，支座縱橋向和橫橋向最大位移分別為44.8 mm和46.8 mm，小于設(shè)計(jì)位移70 mm和最大容許位移175 mm，E2水準(zhǔn)地震下高阻尼橡膠支座性能滿足抗震要求。綜上可知，采用高阻尼橡膠支座減震效果顯著，PHC管樁橋梁采用高阻尼橡膠支座后，在高烈度區(qū)方案可行；在地質(zhì)條件允許的條件下，特別是水網(wǎng)軟土區(qū)可優(yōu)先選用。

表5 E2水準(zhǔn)地震動輸入下高阻尼橡膠支座位移Table 5 Displacement of high damping rubber bearing under E2 level earthquake mm

3 結(jié) 語

本文通過對高烈度水網(wǎng)區(qū)高速公路一聯(lián)5×30 m小箱梁分別采用鉆孔灌注樁和PHC管樁方案，進(jìn)行動力特性分析及反應(yīng)譜、非線性時程分析，得出以下結(jié)論：

（1）同等條件下，鉆孔灌注樁方案橋梁和PHC管樁方案橋梁自振周期相近，結(jié)構(gòu)體系抗震能力差別不大。

（2）高烈度區(qū)，采用普通橡膠支座的PHC管樁方案雖然結(jié)構(gòu)自振周期較長，但不能滿足抗震需求。

（3）采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁方案減震效果顯著，E2水準(zhǔn)地震下橋墩的減震率為44%，PHC管樁的減震率為48%。

（4）高烈度區(qū)，采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁方案在地質(zhì)條件允許的情況下可行，尤其水網(wǎng)軟土區(qū)可優(yōu)先采用。