港珠澳非通航孔桥梁减隔震设计及研究

2022-04-12孔令俊陈彦北宁响亮

科技与创新 2022年7期

孔令俊，陈彦北，宁响亮

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要部件，其功能是将上部结构承受的各种荷载（静、动及冲击载荷）传递给墩台，并能适应上部结构由于荷载、温度变化、混凝土收缩等产生的变形，使上部结构的实际受力情况符合设计要求。同时，桥梁支座可减缓桥梁因载荷作用产生的震动，具有减震性能[1]。1976年新西兰Bill Robinson博士发明了橡胶隔震垫技术，自此，隔震技术在多个国家逐步展开[2]。

日本早期的隔震系统都是由天然橡胶隔震支座或者铅芯橡胶隔震支座组成，大成建设株式会社开发出由叠层橡胶支座和摩擦滑移支座共同组成的混合基础隔震系统[3]。美国也对隔震技术进行了大量研究，1986年在美国科学基金的支持下，完成了首栋采用叠层橡胶隔震支座的建筑南加州秋镇司法实务中心大楼[4]。中国隔震技术也紧跟世界前列，唐家祥等[5]对隔震器力学性能、叠层橡胶支座设计、隔震结构设计、橡胶支座体系进行了大量的理论和试验研究。

目前，土木工程中，最常用的橡胶隔震装置是铅芯叠层橡胶隔震支座和高阻尼支座[6]。但是铅芯叠层橡胶隔震支座在生产和使用过程中铅芯可能会对环境造成无法弥补的污染[7]。相比之下，高阻尼橡胶支座具有既能有效保证工程结构的安全，又可以避免对生态环境污染的性能。

本文根据K18+783—K19+443标段高墩区非通航孔标准联6×110 m的设计要求，首先确定了该段桥梁用高阻尼橡胶支座的设计参数，其次对高阻尼支座桥梁进行了减隔震设计分析与地震响应计算，最后对高阻尼橡胶支座进行了型式试验，表明所设计的高阻尼橡胶支座可以满足桥梁设计要求。

1 高阻尼橡胶支座设计参数及桥梁支座布置

1.1 高阻尼橡胶支座设计参数

高阻尼橡胶支座设计参数如表1所示，其中HDR（30 000 kN）与HDR（25 000 kN）高阻尼橡胶支座尺寸为1 670 mm×1 670 mm，基准面压分别为11.02 MPa和9.18 MPa；HDR（12 500 kN）高阻尼橡胶支座尺寸为1 670 mm×920 mm，基准面压为8.42 MPa。

表1 高阻尼橡胶支座的优化设计参数

1.2 桥梁支座布置

桥面标准宽度为33.1 m，每墩布置2个高阻尼橡胶支座，支座中心距为5.2 m，该联桥共布置14个高阻尼橡胶支座。

支座布置如图1所示（由于布置图对称，图中只表示了一半支座布置图）。

图1 高阻尼橡胶支座布置示意图

2 桥梁概况

该桥为港珠澳大桥K18+783—K19+443标段高墩区非通航孔标准联连续钢箱梁桥，跨度为6×110 m，全长660 m。桥址区地震抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.15g，120年超越概率为5%的设计水平向地震动参数为235 cm/s2。桥梁公路等级为Ⅰ级，行车道数为双向6车道，设计使用寿命120年，桥梁标准宽度为33.1 m，主梁为等截面钢箱梁。桥梁设计荷载按现行规范进行设计并对部分荷载进行提高。图2和图3为该桥的分析模型和钢箱梁标准截面图。桥墩为深水区非通航孔高桥墩，高度从22.54 m到33.91 m。

图2 桥梁分析模型

图3 主梁钢箱梁标准截面（单位：mm）

3 桥梁地震响应分析

3.1 桥梁墩底和承台底内力

对减隔震桥梁输入顺桥向和横桥向地震作用进行时程分析，得到E2地震作用下桥梁顺桥向和桥梁横桥向的各墩墩底内力和承台底内力，如表2和表3所示。

表2 E2地震作用下桥梁墩底内力

表3 E2地震作用下桥梁承台底内力

由表2可知，在E2地震作用下，桥梁顺桥向和横桥向最大墩底剪力分别为5923.64kN和6 772.15kN；桥梁顺桥向和横桥向最大墩底弯矩分别为144 348.43 kN·m和180 435.44 kN·m，均小于桥梁顺、横桥向设计弯矩3.53×105kN·m和4.25×105kN·m。E2地震作用下，桥梁顺桥向和横桥向墩底弯矩减震率分别为59.1%和57.5%。

由表3可知，在E2地震作用下，桥梁顺桥向和横桥向承台底最大剪力分别为8 127.39 kN和9 735.59 kN；桥梁顺桥向和横桥向承台底最大弯矩分别为169 913.42 kN·m和207 201.78 kN·m，均小于桥梁顺、横桥向设计弯矩5.56×105kN·m和6.16×105kN·m。E2地震作用下，桥梁顺桥向和横桥向承台底弯矩减震率分别为69.4%和66.4%。从墩底和承台底内力可以看出，高阻尼支座很好地减小了桥梁的地震响应，起到了保护桥梁主体结构的作用。