脈沖型地震動(dòng)對(duì)高阻尼橡膠支座連續(xù)梁橋抗震性能的影響分析

摘要：文章以某典型高阻尼橡膠支座連續(xù)梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例，基于SAP2000軟件建立全橋三維有限元模型，分析其在設(shè)置高阻尼橡膠支座下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)特性。通過(guò)非線性時(shí)程分析其在近斷層脈沖型地震動(dòng)及非脈沖地震動(dòng)下的抗震性能，探討結(jié)構(gòu)體系的位移及內(nèi)力響應(yīng)與支座的滯回特性。結(jié)果表明：高阻尼橡膠支座與相應(yīng)墩柱的縱向位移具有協(xié)調(diào)性；連續(xù)梁橋的墩柱彎矩包絡(luò)分布趨勢(shì)及在各類地震動(dòng)下的相對(duì)大小類似于墩柱位移響應(yīng)；由于近斷層地震動(dòng)的速度脈沖效應(yīng)，連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)明顯高于無(wú)脈沖地震動(dòng)，且脈沖周期的大小影響顯著；由于高阻尼橡膠支座的速度相關(guān)特性，其位移及內(nèi)力響應(yīng)峰值與其滯回特性及結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律不一致；在脈沖型地震動(dòng)作用下，應(yīng)用于連續(xù)體系梁橋的高阻尼橡膠支座滯回行為飽滿充分，累計(jì)耗能效果突出。

關(guān)鍵詞：近斷層；速度脈沖；高阻尼橡膠支座；連續(xù)梁橋；速度相關(guān)性

中圖分類號(hào)：U443.36+1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.029

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0093-05

0引言

在我國(guó)高烈度地震區(qū)，中小跨徑連續(xù)梁橋是跨越艱險(xiǎn)山區(qū)的常用橋梁結(jié)構(gòu)形式［1］。由于該類地區(qū)的地震活動(dòng)頻繁，地震運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，通常會(huì)設(shè)置一定的減隔震措施，其中，高阻尼橡膠支座因其優(yōu)良的減隔震性能與環(huán)境友好特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于連續(xù)梁橋中［2］。然而，由于橋址地區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造，部分連續(xù)梁橋不可避免地臨近斷層或地震帶甚至必須跨越活動(dòng)斷層帶。相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，近場(chǎng)地震動(dòng)具有復(fù)雜的頻譜特性，其特有的速度脈沖效應(yīng)會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)的地震需求增大［3］。

目前，針對(duì)應(yīng)用高阻尼橡膠支座的連續(xù)梁橋抗震性能研究已經(jīng)較為充分。張煜敏等［4］研究發(fā)現(xiàn)高阻尼橡膠支座的滯回耗能使連續(xù)梁橋在地震作用下的梁體位移、墩頂位移及墩底彎矩、剪力響應(yīng)均有所減小。王運(yùn)航等［5］研究得出在墩高較低時(shí)高阻尼橡膠支座通過(guò)水平向大位移剪切變形及滯回耗能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的減隔震性能。吳慶雄等［6］指出高阻尼橡膠支座的設(shè)置不僅能在控制其本身位移的基礎(chǔ)上有效改善墩柱及樁基的內(nèi)力需求，還能改善全橋的剛度分布，使橋梁結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力趨于合理化。王敏等［7］通過(guò)對(duì)比采用不同橡膠支座的連續(xù)梁橋抗震性能，發(fā)現(xiàn)在地震高烈度區(qū)，高阻尼橡膠支座的整體抗震效果明顯優(yōu)于其他類型的橡膠支座。然而，我國(guó)現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01-2020）［8］關(guān)于近斷層區(qū)域的抗震設(shè)防問題幾乎為空白，且尚無(wú)成熟的近斷層高阻尼橡膠支座連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)方法。高烈度近斷層地區(qū)脈沖型地震動(dòng)對(duì)高阻尼橡膠支座連續(xù)梁橋的抗震性能影響亟待研究。

為此，本文以某典型中小跨徑連續(xù)體系梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立全橋三維空間有限元模型，將高阻尼橡膠支座作為減隔震措施，并對(duì)該減隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行動(dòng)力特性分析，輸入不同脈沖型地震動(dòng)，以研究全橋的抗震性能，包括結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力響應(yīng)及支座的滯回特性，為在脈沖型地震動(dòng)作用下高阻尼橡膠支座于連續(xù)梁橋的應(yīng)用提供參考及建議。

1工程概況

某典型中小跨徑橋梁如圖1所示，全橋?yàn)?跨30 m跨徑連續(xù)體系梁橋（5×30 m）。荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，橋面凈寬11.6 m，橋面鋪裝分別為10 cm厚瀝青混凝土、防水層及10 cm厚C40混凝土，橋面橫坡為2%；上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土（后張）T梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式墩，墩徑均為2.4 m，墩高為28.2～30.3 m，墩間設(shè)置截面為2.0 m×1.6 m的橫系梁，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)；兩側(cè)橋墩采用D160型伸縮縫。全橋采用高阻尼橡膠支座，墩柱P1～P4處支座型號(hào)為HDR（Ⅰ）-520×620×237-G1.0，交界墩P0、P5處支座型號(hào)為HDR（Ⅰ）-370×470×187-G1.0。

2結(jié)構(gòu)建模及地震動(dòng)輸入

2.1結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)實(shí)例橋梁尺寸及參數(shù)取值，全橋動(dòng)力分析模型采用SAP2000軟件建立，如下頁(yè)圖2所示。其中主梁、橋墩及橫系梁采用框架單元模擬，忽略樁-土共同作用的影響，按固結(jié)處理；橋面鋪裝、人行道及護(hù)欄等二期荷載，采用集中質(zhì)量法轉(zhuǎn)化為點(diǎn)質(zhì)量施加于相應(yīng)主梁節(jié)點(diǎn)處；結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05，并在進(jìn)行非線性時(shí)程分析時(shí)采用Rayleigh阻尼。

2.2減隔震方案

減隔震技術(shù)的核心是控制地震能量，其中可切斷能量傳播途徑的有支座隔震技術(shù)，可協(xié)助耗散能量的有支座和阻尼減震技術(shù)［9］。減隔震技術(shù)是簡(jiǎn)便、先進(jìn)、有效的結(jié)構(gòu)抗震手段，也是目前橋梁抗震設(shè)防的主要措施之一。盡管近斷層地震對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷破壞顯著，但關(guān)于現(xiàn)有減隔震措施對(duì)近斷層連續(xù)梁橋的應(yīng)用性研究較少。因此，非常有必要提出一種適用于脈沖型地震動(dòng)的減隔震方案，用于保證近斷層連續(xù)梁橋的抗震性能。

目前我國(guó)高烈度地震區(qū)鐵路、公路及市政橋梁已廣泛應(yīng)用減隔震支座，合理選擇減隔震支座的類型，可以有效降低地震力，使主梁地震力合理地分配到各下部結(jié)構(gòu)中，降低對(duì)橋墩的剛度、強(qiáng)度和延性地震需求［10］。本工程采用高阻尼橡膠支座作為減隔震措施，在有限元模型中采用雙線性模型Rubber Isolator模擬，如圖3所示，其豎向壓縮剛度、初始水平剛度、水平屈服力及屈服后水平剛度等力學(xué)參數(shù)按照規(guī)范［11］取值計(jì)算，如表1所示。

2.3動(dòng)力特性分析

分析和認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行橋梁抗震性能分析的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，為此，采用前述結(jié)構(gòu)計(jì)算模型對(duì)該連續(xù)梁橋進(jìn)行基于有限元方法的動(dòng)力特性分析。橋梁模型的前4階典型振動(dòng)模態(tài)特性如表2所示，振動(dòng)形式如圖4所示。從周期取值及各階模態(tài)的振動(dòng)形式可看出，符合典型公路鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的基本特征。

該橋首階振型為縱向平動(dòng)，表明全橋縱向剛度相對(duì)于橫向更弱，第一階振型的質(zhì)量參與系數(shù)就達(dá)到了64.6%，可見首階振型占據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的主體地位。

2.4地震動(dòng)輸入

近斷層地震具有斷層破裂的強(qiáng)方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、上盤效應(yīng)以及大幅值豎向加速度特性等顯著區(qū)別于遠(yuǎn)場(chǎng)的地面運(yùn)動(dòng)特征，其大幅值、長(zhǎng)周期脈沖作用是重要的表現(xiàn)形式之一，導(dǎo)致地震能量以遞增的形式進(jìn)行，難以在短時(shí)間內(nèi)耗散，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成更加嚴(yán)重的破壞［12］。

因此，為定量分析脈沖型地震動(dòng)對(duì)高阻尼橡膠支座連續(xù)梁橋抗震性能的影響，分別選取近斷層短脈沖周期地震波、中等脈沖周期地震波、長(zhǎng)脈沖周期地震波及無(wú)脈沖地震波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力響應(yīng)分析。從美國(guó)太平洋強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)（Pacific Earthquake Engineering Research）中，分別選取我國(guó)臺(tái)灣集集地震中3條具有明顯脈沖效應(yīng)且脈沖周期有顯著大小差異的近場(chǎng)地震波、1條無(wú)脈沖效應(yīng)的近場(chǎng)地震波作為輸入地震動(dòng)，所選地震波的基本參數(shù)如表3所示。圖5為所選近斷層地震波的加速度時(shí)程曲線和速度時(shí)程曲線對(duì)比圖（PGA均調(diào)整為0.2 g）。從圖5中可明顯看出，近斷層脈沖地震動(dòng)記錄在其速度時(shí)程曲線中存在明顯的脈沖型地面運(yùn)動(dòng)，在加速度時(shí)程曲線的相應(yīng)時(shí)段也存在類似現(xiàn)象，而近斷層無(wú)脈沖地震動(dòng)則無(wú)此類現(xiàn)象。

根據(jù)橋址場(chǎng)地地震安評(píng)報(bào)告，將各類近斷層地震動(dòng)水平分量峰值加速度調(diào)幅至橋梁E2地震動(dòng)峰值加速度0.60g。由于該橋縱向較為不利，并根據(jù)規(guī)范在進(jìn)行非線性時(shí)程響應(yīng)分析時(shí)，地震動(dòng)的輸入方式為縱橋向+豎向（X+Z）。

3橋梁地震響應(yīng)分析

3.1位移響應(yīng)包絡(luò)

各類近斷層脈沖型地震動(dòng)及無(wú)脈沖地震動(dòng)下的結(jié)構(gòu)梁體位移包絡(luò)如圖6所示。由圖6可知，各類地震動(dòng)下梁體位移的相對(duì)大小有顯著區(qū)別，短脈沖周期地震波RSN1202下，高阻尼橡膠支座連續(xù)梁橋的梁體位移十分凸顯，接近0.4 m；其次為長(zhǎng)脈沖周期地震波RSN1489，＞0.2 m；隨后為中等脈沖周期地震波RSN1244，可見近斷層脈沖型地震動(dòng)的脈沖周期大小對(duì)橋梁地震響應(yīng)有明顯影響；無(wú)脈沖地震波RSN1197下的梁體位移最小。由此，需注意在短脈沖周期地震波下橋梁梁體的地震位移需求，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的落梁震害。

各類近斷層地震動(dòng)下的結(jié)構(gòu)墩柱頂部位移包絡(luò)相對(duì)大小規(guī)律與梁體位移包絡(luò)類似，如圖7所示。由圖7可知，各類地震波下的墩頂位移分布趨勢(shì)基本一致，兩側(cè)交界墩P0、P5的頂部位移較小，而P1（28.6 m）墩頂及P4（30.3 m）墩頂?shù)奈灰祈憫?yīng)較為突出，且在短脈沖周期地震波下較為明顯。

由于支座與相應(yīng)墩柱頂部縱向位移的協(xié)調(diào)性，高阻尼橡膠支座位移包絡(luò)的分布趨勢(shì)與墩柱位移包絡(luò)相反，即墩頂位移與支座位移整體呈負(fù)相關(guān)，如圖8所示。但需要注意的是，各類近斷層地震下的支座位移包絡(luò)相對(duì)大小規(guī)律發(fā)生了變化：短脈沖周期地震波＞無(wú)脈沖地震波＞中等脈沖周期地震波＞長(zhǎng)脈沖周期地震波?？梢姡噍^于結(jié)構(gòu)本身而言，近斷層地震波的脈沖周期大小對(duì)高阻尼橡膠支座的敏感程度不同，但還需要進(jìn)一步分析支座內(nèi)力的分布情況。

3.2內(nèi)力響應(yīng)包絡(luò)

結(jié)構(gòu)橋墩底部剪力響應(yīng)包絡(luò)如圖9所示。由圖9可知，各類地震動(dòng)下的墩底縱向剪力分布趨勢(shì)十分不一致，且相對(duì)大小與前述位移響應(yīng)出現(xiàn)了差異。在中等脈沖周期地震波RSN1244下的墩底剪力最大，其次才是短脈沖周期地震波RSN1202；而長(zhǎng)脈沖周期地震波RSN1489下的墩底剪力分布變化較大，交界墩P0、P5的底部剪力較小，同樣是P1及P4墩底的剪力響應(yīng)較為突出；相反在無(wú)脈沖地震波RSN1197下的墩底剪力分布趨于平緩。

如下頁(yè)圖10所示，不同于墩柱剪力包絡(luò)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)墩底的彎矩分布趨勢(shì)較為一致，且各類地震動(dòng)下的相對(duì)大小區(qū)分明顯，均類似于墩柱位移包絡(luò)（見圖7）。但值得關(guān)注的是，在短脈沖周期地震波下的墩底面內(nèi)彎矩相較于其他地震動(dòng)十分突出，不利于墩柱的抗彎安全性，應(yīng)避免其出現(xiàn)塑性破壞。

在各類近斷層地震動(dòng)下的高阻尼橡膠支座內(nèi)力包絡(luò)如圖11所示。結(jié)合圖8支座的位移包絡(luò)共同分析支座的力學(xué)行為，可見支座的內(nèi)力包絡(luò)分布趨勢(shì)與位移包絡(luò)剛好相反，各地震動(dòng)的相對(duì)大小規(guī)律則相同，兩側(cè)交界墩P0、P5的支座內(nèi)力最小，而P3處支座的內(nèi)力最大。

3.3支座滯回特性

為準(zhǔn)確分析高阻尼橡膠支座的滯回特性，如圖12展示了典型支座（P3處）在不同近斷層地震波下的滯回曲線，結(jié)合圖8位移包絡(luò)及圖11內(nèi)力包絡(luò)共同分析支座的力學(xué)特性。在短脈沖周期地震波下的高阻尼橡膠支座滯回行為較充分，緣于其具有強(qiáng)烈的速度脈沖效應(yīng)，且其脈沖周期的長(zhǎng)短為1.40 s接近于該橋梁一階縱向自振周期1.99 s，加之高阻尼橡膠支座為速度相關(guān)型減隔震裝置，由此支座的滯回特性最為顯著，位移及內(nèi)力響應(yīng)突出，從而使橋梁易于發(fā)生共振現(xiàn)象，即會(huì)放大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；由于中等脈沖周期地震波及長(zhǎng)脈沖周期地震波的脈沖周期逐漸遠(yuǎn)離橋梁的自振周期，其位移及內(nèi)力響應(yīng)依次減小，但兩者的滯回行為接近；即使在無(wú)脈沖地震波下高阻尼支座的地震響應(yīng)峰值較大，但其滯回特性相對(duì)而言并不飽滿，且該類地震動(dòng)本身對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)均較小。

高阻尼橡膠支座的累計(jì)滯回耗能可清晰體現(xiàn)在脈沖型地震動(dòng)及無(wú)脈沖地震動(dòng)作用下的支座滯回特性，如圖13所示。由圖13可見，支座的滯回耗能大小規(guī)律為：短脈沖周期地震波＞中等脈沖周期地震波＞長(zhǎng)脈沖周期地震波＞無(wú)脈沖地震波，該規(guī)律與高阻尼橡膠支座的速度相關(guān)特性和近斷層地震波的速度脈沖效應(yīng)相關(guān)，具體而言與脈沖型地震動(dòng)的速度脈沖周期長(zhǎng)短相關(guān)。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于SAP2000軟件建立了高阻尼橡膠支座連續(xù)體系梁橋的非線性有限元模型，研究了其在近斷層脈沖型地震動(dòng)及無(wú)脈沖地震動(dòng)作用下的抗震性能。得出主要結(jié)論如下：

（1）由于支座與墩柱縱向位移的協(xié)調(diào)性，高阻尼橡膠支座的位移分布趨勢(shì)與相應(yīng)墩柱位移相反，即墩頂位移與支座位移整體呈負(fù)相關(guān)；支座的內(nèi)力分布趨勢(shì)與位移相反，各類近斷層地震動(dòng)的相對(duì)大小規(guī)律則相同。

（2）連續(xù)梁橋墩底的彎矩包絡(luò)分布趨勢(shì)較為一致，且各類地震動(dòng)下的相對(duì)大小區(qū)分明顯，均類似于墩頂位移包絡(luò)。

（3）在近斷層脈沖地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯高于近斷層無(wú)脈沖地震作用，這是由于脈沖型地震動(dòng)所具有的典型速度脈沖所致。

（4）脈沖型地震動(dòng)的脈沖周期大小對(duì)連續(xù)梁橋的動(dòng)力響應(yīng)有明顯影響，當(dāng)脈沖周期和橋梁自振周期相近時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，出現(xiàn)響應(yīng)放大效應(yīng)。

（5）高阻尼橡膠支座作為速度相關(guān)型減隔震裝置，在各類近斷層地震作用下支座的位移及內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律與墩柱有顯著區(qū)別，在進(jìn)行此類橋型抗震分析時(shí)需要注意。

（6）相較于結(jié)構(gòu)本身而言，緣于高阻尼橡膠支座的速度相關(guān)特性和脈沖型地震動(dòng)速度的脈沖效應(yīng)，近斷層地震動(dòng)的脈沖周期大小對(duì)高阻尼橡膠支座的敏感程度不同，導(dǎo)致其位移及內(nèi)力響應(yīng)峰值與滯回飽滿程度不一致，但支座的累計(jì)滯回耗能可確切體現(xiàn)其在不同近斷層地震下的滯回耗能特性及屈服耗能能力。

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作者簡(jiǎn)介：黃業(yè)財(cái)（1992—），工程師，主要從事工程建設(shè)管理、信息化管理以及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理工作。

收稿日期：2024-05-18