桥梁HDR高阻尼橡胶支座减隔震性能研究

赵利强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

我国是一个强震多发的国家，近十多年来，我国国土发生6级以上的地震约达800次，地震的特点是发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡大、损失大、灾害比较严重。

桥梁工程作为交通线上的枢纽工程、生命线工程，一旦被震坏，将为震后救灾工作带来极大的困难，使次生灾害加重，给人们的生命财产带来更加严重的损失，为此，桥梁抗震得到了各国学者和工程师的极大重视，目前桥梁抗震已成为桥梁设计的重要内容。

1 桥梁震害的特点

1.1 上部结构破坏

总结历史上众多桥梁震害的特点，我们可以发现桥梁上部结构以其自身的特殊性和复杂性，因地震作用而破坏的现象极为少见，但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁现象在破坏性地震中常有发生[1]。在落梁破坏中，顺桥向的落梁占绝大多数。主梁在顺桥向发生坠落时，梁端撞击下部结构常又致使桥墩受到很大的破坏。

1.2 支撑连接件破坏

支座、伸缩缝等支承连接件在桥梁工程属于附属构件，因其造价所占比重很小，体量较小，往往未能引起工程技术人员的足够重视，未能深入研究，精细设计，然而震害中支撑连接件往往成为桥梁结构中的薄弱环节。桥梁支座、伸缩缝、锚栓和防震挡块等的破坏较为普遍，由于支撑连接件失效导致的桥梁结构功能失效也较为常见。

板式橡胶支座的震害表现为剪切变形过大、四氟滑板脱落、支座脱空等现象；盆式橡胶支座震害表现为锚固螺母被剪断或被剪变形、支座劈裂撕裂、支座滑出、橡胶密封圈被挤出及支座脱空等现象；球型橡胶支座的震害表现为支座转角超过设计值，锚固螺母被剪断或被剪变形等现象。

伸缩缝的震害表现为挤压变形破坏和剪切变形破坏。

1.3 下部结构的破坏

对于钢筋混凝土墩台，震害现象表现为混凝土保护层剥落、墩、台身开裂和纵向钢筋屈曲等，严重的破坏现象还包括墩台的严重倾斜、剪断或折断、倒塌等；对于钢结构或组合结构的墩柱，震害现象表现为屈曲失稳，从而丧失承载能力。

1.4 桥梁基础的破坏

大量震害资料显示，扩大基础的破坏一般由地基失效引起，桩基础的破坏，除了地基失效这一主要原因外，还有上部结构传下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲破坏；更有桩基设计不当所引起的破坏，如桩基没有深入稳定土层足够长度，桩顶与承台联结的构造措施不足等。

2 HDR橡胶支座隔震机理

HDR支座是采用复合橡胶材料制成的具有较高阻尼性能的隔震橡胶支座。橡胶材料本身黏滞性大，吸能能力强，在地震作用下，支座变形产生大阻尼，大量消耗进入系统的能量，能够有效减小支座的峰值剪切力，不仅能够确保支座不被剪坏，而且能将上部结构传递给桥墩、桥台的地震作用控制在一定的范围内，降低桥梁结构的地震力响应。另外，HDR支座耐疲劳性能好、复位能力强、耐久性好，且经济环保，安装、养护、维修、更换方便，适用于9度及以下地震烈度区的各类公路及市政桥梁。

3 工程应用分析

3.1 工程概况

大同至呼和浩特公路山西境大同至右卫段高速公路第六合同段K57+540鹊儿河大桥，桥面净宽11 m，桥梁全长131 m，右前角90°，上部结构采用5孔25 m先简支后连续预应力混凝土箱梁，下部结构采用柱式墩、柱式台、肋板台，钻孔灌注桩基础。

鹊儿河大桥桥型布置图见图1。

图1 鹊儿河大桥桥型布置图（单位：cm）

本项目场地地震峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期0.4 s，场地类别为Ⅱ，地震基本烈度为Ⅶ。根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008），本桥属B类桥梁，采用两级设防。即E1地震作用下（经抗震设计后），所有构件保持弹性，震后无需修复即可通车；E2地震作用下，应保证桥梁不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用。具体见表1。

表1 B类桥梁工程抗震设防性能目标

3.2 对比分析

本文采用有限元程序Midas Civil 2015建立有限元模型，对比普通板式橡胶支座和HDR高阻尼橡胶支座在地震作用下的桥梁结构响应，研究HDR高阻尼橡胶支座的隔震性能。

3.2.1 有限元模型

建立模型中，主梁、桥墩、系梁和桩基均采用梁单元，在E1地震作用下的多振型非弹性反应谱分析计算时，普通板式橡胶支座、四氟滑板橡胶支座、DHR隔震支座以及滑动型支座均采用弹性连接，在进行E2地震作用下的非线性时程分析计算时，普通板式橡胶支座采用弹性连接，四氟滑板橡胶支座、DHR隔震支座以及滑动支座采用一般连接中双线性恢复力模型[2]。

支座布置：普通板式支座方案，1、2、3、4 号墩设置GJZ300×450×63普通板式橡胶支座，桥台处设置GYZF4300×450×65滑板式橡胶支座；HDR隔震支座方案，1、2、3、4 号墩设置 HDR(Ⅰ)d370×177-G1.0固定型高阻尼隔震橡胶支座，桥台处设置LNR(H)-d270×109滑动型天然橡胶支座。高阻尼隔震橡胶支座的力学参数见表2。

表2 HDR高阻尼隔震橡胶支座计算参数

GJZ300×450×63普通板式橡胶支座，其主要力学特性：竖向承载力Rck=1 276 kN，动剪切模量Gd=1.2 MPa，水平抗剪刚度Kh=3 600 kN/m，摩擦系数μ=0.3，抗滑最小承载力RGk=473 kN，最大位移量Δ=28 mm；GYZF4300×450×65滑板式橡胶支座，其主要力学特性：摩擦系数μ=0.06，滑动前水平刚度K0=3 600 kN/m。有限元模型见图2。

图2 鹊儿河大桥有限元模型

3.2.2 地震波输入

依据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008），根据本项目地震烈度和场地土类别，采用和场址场地土条件相近的天然地震波，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波（B类桥梁E1地震下抗震重要性系数取0.5，E2地震下抗震重要性系数取1.7），地震波形见图3、图4。

图3 E1水平地震动加速度时程（0.5）

图4 E2水平地震动加速度时程（1.7）

3.2.3 计算结果及对比分析

根据不同支座类型，不同墩高，分别计算了E1和E2地震作用下桥梁的地震响应，E2地震作用下桥梁结构的地震响应见图5。

图5 第一阶模态响应图(HDR隔震支座方案)

计算结果见表3、表4、表5、表6。

表3 E1地震作用下普通制作方案计算结果

表4 E1地震作用下HDR高阻尼隔震支座方案计算结果

表5 E2地震作用下普通制作方案计算结果

表6 E2地震作用下HDR高阻尼隔震支座方案计算结果

从以上计算结果分析可知，HDR高阻尼隔震橡胶支座与普通板式橡胶支座相比：

a）在E1地震作用下，墩底顺桥向弯矩可减小约0.9%～1%，横桥向弯矩可减小约3.5%～5%，墩顶顺桥向位移和支座剪切位移均无明显差异，这是因为E1地震作用下，结构尚处于弹性工作状态，支座变形不大，消能隔震效果不明显。

b）在E2地震作用下，墩底顺桥向弯矩可减小约28.9%～30.2%，横桥向弯矩可减小约31.9%～32.3%，墩顶顺桥向位移减小量不大，支座剪切位移增大约11.5%～18.5%，支座耗能效应明显，隔震效果较好。

4 结论

HDR高阻尼隔震支座以其优越的滞回耗能特性，能够有效地减少桥墩承受的弯矩和剪力，降低墩顶纵、横向位移，具有优良的减隔震效果。由此可见，隔震支座可以有效地改善桥梁结构在地震作用下的受力状况，确保桥梁整体及构件在各水准地震设防下的性能与目标的实现，在保证桥梁结构抗震安全的同时可优化结构尺寸，实现桥梁的安全性、经济型和人性化设计。