梁桥高阻尼橡胶支座的减隔震效果与优化配置研究

张煜敏，翁光远，代建波，石 韵，朱熹育，吕 刚

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710068)

历次地震灾害中，桥梁发生的破坏形式较为多样，上部结构的破坏主要表现为主梁纵横向位移、落梁、伸缩装置剪切变形等，此类破坏大多伴随支座等支撑连接件的失效。为了减小地震作用对桥梁结构的破坏，桥梁结构中采用了各种抗震措施，减隔震支座是相对成熟、应用很广的一类措施。其中高阻尼橡胶隔震支座相对于低阻尼天然及合成橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座，具有无污染、高阻尼比、性能稳定、维护成本低和耐久性好等优点[1]。

国内外学者针对高阻尼橡胶支座已经进行了一系列研究，邵长江等学者分析高阻尼橡胶支座在连续梁桥上的减隔震性能发现，高阻尼橡胶支座具有较好的减隔震性能[2]。庄学真等学者对高阻尼橡胶支座的力学性能进行了系统的试验研究，研究发现高阻尼橡胶支座能降低地震作用力，对整体结构有限位作用，并能有效控制桥梁结构的地震反应[3]。陈彦江等学者通过竖向压缩和水平剪切加载实验表明，高阻尼隔震橡胶支座的滞回曲线饱满、耗能效果好且稳定[4]。文献[5]通过对比高阻尼橡胶支座与板式橡胶支座的隔震效果发现，高阻尼橡胶支座能够在地震履历中充分发挥其隔震、吸收地震能量的作用，减少上部结构承受的地震能量，相对与板式支座有更好的减隔震效果。Mahmoud S等学者研究发现高阻尼橡胶支座对柔性地基上的刚性结构地震响应有较大的影响，对柔性结构的影响相对较弱[6]。Spyrakos C C等学者研究发现低矮结构以及刚性结构受到有阻尼隔震措施的影响更大[7]。

尽管高阻尼橡胶支座的隔震效果已得到验证，但其在实桥中的应用仍处于初级阶段，在梁式桥中的合理配置方式还没有较为完善的方案，针对这一现状笔者结合实际工程对高阻尼橡胶支座的减震耗能效果以及梁式桥高阻尼橡胶支座的优化配置方式展开研究。

1 工程概况及有限元模拟

本研究的工程背景为一座4×50 m连续梁桥，上部结构为标准跨预应力T梁形式，单幅桥面宽12.15 m，T梁高2.8 m。桥墩采用薄壁空心墩，桥墩高度分别为35.5 m、53.5 m、75 m、72 m、42.5 m，全桥的立面布置图如图1所示。

图1 全桥立面布置图

本桥所处工程场地位于鄂尔多斯台拗内，抗震等级采用Ⅶ度设防，基于桥址地震安评报告[8]，通过危险性分析及综合评定调整，拟合了工程场地未来50年超越概率63%、10%、2%(小、中、大震)三种不同概率水平下的设计地震加速度时程各三条，图2中分别为小、中、大震中的其中一条地震加速度时程。

图2 地震加速度时程

采用有限元软件Midas/civil建立桥梁模型，主梁、盖梁及桥墩等主要结构均采用梁单元模拟，承台基底采用固结模式模拟地基条件。结构的阻尼比为0.05，进行非线性时程方法进行分析时，采用瑞利阻尼[9, 10]。

桥梁原设计支座形式为板式橡胶支座，但为了满足桥梁的抗震需求，将板式支座替换为高阻尼橡胶支座，过渡墩仍保留采用滑动支座。设计方案所采用的支座型号与相应的容许位移值如表1所示。

其中，板式支座采用弹性连接模拟，过渡墩处(1、5号墩)的滑动式高阻尼橡胶支座(LNR支座)和连续墩(2、3、4号墩)各高阻尼橡胶支座(HDR支座)采用一般连接进行模拟，高阻尼橡胶支座在地震中的非线性变化模拟为双线性恢复力力学模型。

2 结构地震响应分析

2.1 设计方案地震响应分析

对原设计方案的桥梁结构分别采用小、中、大震地震波进行非线性时程分析，结构采用高阻尼橡胶支座(工况2)后在地震作用下的各项地震响应最大值及与采用板式橡胶支座(工况1)的比值如表2所示。

从表2中桥梁结构在地震作用下的各项地震响应数据可见，过渡墩处的支座位移以及墩底剪力比连续墩的位移量大很多，过渡墩的支座位移在各级地震作用下基本均达到连续墩的2倍左右。过渡墩的墩底弯矩以及墩顶位移相较于连续墩则相对较小，随着地震等级的增加差异更大，在大震作用下连续墩的墩底弯矩几乎为过渡墩的1.5倍，而墩顶位移则几乎为过渡墩的4倍。该规律与桥梁结构配置板式橡胶支座时的趋势基本相同。

根据以上分析可见，滑动型高阻尼橡胶支座与四氟滑板式橡胶支座虽能减小地震荷载对过渡墩的影响，但却使连续墩的受力与过渡墩相差过多。同时，过渡墩处的滑动支座位移过大，超过了该处支座的设计位移量。

通过工况1与工况2的不同分析结果进行对比可见，与板式橡胶支座相比，高阻尼橡胶支座的采用可以减小桥梁结构在地震作用下的墩底弯矩、墩底剪力以及墩顶位移，大多能减小到采用板式支座时的80%左右。在地震作用下的支座位移与板式橡胶支座相比大部分有少量较小，但在大震作用下，支座的位移量均超过了其容许变形量，不满足设计需求。说明高阻尼橡胶支座的采用能起到一定的减震作用，但对支座在地震作用下的变形能力仍有较高的要求。

表1 原设计方案支座参数

表2 原设计方案桥梁地震响应

为了使支座在地震作用下的位移满足设计需求，对桥梁结构增设其他规格的支座进行试算，通过提高支座的刚度提高其抗震性能，并选定能够满足结构位移需求的支座类型。

2.2 减隔震支座优化设计

为了解决滑动式高阻尼橡胶支座在地震作用下的过大位移问题，改变过渡墩处各支座的刚度参数，首先选择的支座型号由LNR420×470×159增至LNR620×670×204，水平刚度以250 kN/m作为增量，由2 000 kN/m增加到3 000 kN/m，以T梁马蹄尺寸允许的最大型号支座作为最大支座。

对采用以上支座的桥梁结构进行分析，可以得到各级地震作用下桥梁结构的地震响应，图3为大震作用下支座位移随支座刚度变化的趋势。

图3 支座位移随边跨LNR支座刚度变化趋势

从支座位移随过渡墩处LNR支座刚度的变化趋势可见，桥梁结构在地震作用下支座位移随着过渡墩处支座刚度的增加变化幅度不大，过渡墩处的支座位移比连续墩处减小幅度相对较大，但最大仅减小到支座刚度最小时的80%，依然超过了容许位移量，而过渡墩对地震作用的分担亦不理想。

因此，考虑将过渡墩处的滑动支座均替换为HDR型支座，通过增加支座的初始水平刚度增强桥梁结构的抗震能力，同时优化地震荷载在各桥墩间的分配。

HDR型支座的选择与LNR支座参数分析的情况类似，以280 kN/m为增量，由2170 kN/m增加到3 260 kN/m，最终选择HDR620×670×233为过渡墩的最大支座。大震作用下桥梁墩底弯矩及支座位移随过渡墩处HDR支座刚度变化的趋势如图4所示。

图4 支座位移随边跨HDR支座刚度变化趋势

地震方向地震等级桥墩位置墩底弯矩/(kN·m)工况3/工况2墩底剪力/kN工况3/工况2墩顶位移/cm工况3/工况2支座位移/cm工况3/工况2小震过渡墩544181.7715911.453.811.442.120.36连续墩370470.784330.444.920.710.630.33顺桥向中震过渡墩1127181.2729331.018.361.029.030.46连续墩1007350.7912580.6214.010.672.730.29大震过渡墩2444571.0858520.9318.931.0032.040.57连续墩2314010.7534270.7141.280.7617.610.61小震过渡墩481231.039820.861.880.931.120.20连续墩670101.077500.787.491.101.120.56横桥向中震过渡墩988750.8125710.934.040.8013.420.80连续墩1633931.0622561.0018.271.053.920.42大震过渡墩2558790.9549960.8510.640.9619.960.42连续墩3204950.8047140.9737.290.8015.670.52

从图4中支座位移的变化趋势可见，各墩顺、横桥向支座位移均随着支座刚度的增加呈减小趋势，过渡墩处的顺桥向支座位移减小幅度最大，几乎减小到了支座刚度为2 170 kN/m时的65%左右；横桥向位移减小幅度最大的为5号墩，由35 cm减小到了21 cm，减小幅度达到61%。除了1号墩外其他支座变形均控制在支座的容许位移286 mm范围内，支座位移的控制效果比采用LNR滑动支座时好。

总结过渡墩处支座参数对结构地震响应的影响规律可见，当过渡墩处支座选择型号选定为HDR(Ⅱ)620×670×233时(工况3)，结构在地震作用下的响应相对合理。最终将桥梁各支座统一为HDR(Ⅱ)620×670×233型号，采用该优化方案时桥梁结构在大震作用下的地震响应及与设计方案(工况2)的响应比值如表3所示。

对比表3(工况3)及表2(工况2)中数据可见，将设计方案的过渡墩处支座更换为优化HDR支座方案后，过渡墩顺桥向的墩底弯矩、墩底剪力及墩顶位移都有一定的增加，且过渡墩与连续墩处的墩底弯矩均相对接近。全桥支座位移相较设计方案均有较大幅度的减小，大震作用下支座位移几乎都是工况2时的1/2左右，小震作用下的横桥向支座位移可以减小到工况2时的20%左右。

由以上分析可见，在抗震设计中，LNR滑动式高阻尼橡胶支座的应用虽然有较好的隔震效果，但却会增加设置滑动支座过渡墩处的支座位移、过大的减小过渡墩对地震荷载的分担。当过渡墩也采用HDR高阻尼橡胶支座时，桥梁结构的地震响应相对更加理想，过渡墩的墩底弯矩及剪力与连续墩较为接近，全桥各墩参与分担地震荷载相对均衡，且过渡墩处的支座位移有了较大幅度的减小，均能控制在支座的极限位移429 mm范围内。

图5为过渡墩处HDR高阻尼橡胶支座在大震作用下的滞回曲线。从图5中可以看出，HDR高阻尼橡胶支座在地震作用下将会发生屈服，从而能够基于位移产生滞回耗能，吸收地震能量，起到隔震耗能作用。

图5 过渡墩处HDR支座滞回曲线

3 结 论

通过分析对比桥梁结构采用板式橡胶支座及不同组合形式高阻尼橡胶支座时，结构在小、中、大震作用下的地震响应变化规律，对桥梁结构在地震作用下的过大位移选择优化的支座组合形式，得到如下结论：

(1)边跨处采用滑动支座的桥梁在过渡墩与连续墩间的内力及位移差异较大，地震等级越大差别越明显。在大震作用下连续墩与过渡墩的墩底弯矩相差较大，而连续墩的墩顶位移则几乎为过渡墩的4倍，全桥各墩的荷载分配情况很不理想。过渡墩处LNR滑动式高阻尼橡胶支座的位移量是连续墩处HDR高阻尼橡胶支座的3倍左右，在大震作用下均远超过支座的容许位移量。

(2)高阻尼橡胶支座与相同承载力的板式橡胶支座相比，能够减小桥梁结构在地震作用下的墩底弯矩、墩底剪力以及墩顶位移，几乎能够减小到采用板式支座时的80%以下。高阻尼橡胶支座能够在整个地震过程中能够发挥较好的耗能减震作用，但滑动支座在地震作用下的位移普遍较大。

(3)为了控制过渡墩处滑动支座的过大位移，在设计允许范围内增加过渡墩处LNR高阻尼滑动支座的刚度，但在滑动支座范围内的调整对支座位移的减小及各墩间荷载的分配均不理想。将过渡墩处支座换为初始水平刚度较大的HDR类支座，并对支座刚度进行改变后发现，随着HDR支座刚度的增加桥梁在地震作用下的各项地震响应均有一定程度的减小，且过渡墩与连续墩的弯矩值相对更为接近，对地震荷载的分担更为合理。支座在各级地震下的位移基本均控制在支座的容许位移量范围内。