连续刚构梁桥不同组合橡胶支座抗震性能研究

赵健春，欧阳禄龙，王巨腾

(中国建筑土木建设有限公司，北京 100000)

在桥梁的抗震性能中，橡胶材料以其优异的变形特性被广泛应用于桥梁支座中，在桥梁抗震设计中发挥着重要作用[1]。已有研究人员研究不同类型橡胶支座对桥梁在强地震动作用下的破坏模式和抗震性能。然而，目前基于不同橡胶支座组合对连续刚构桥的因素研究很少[2]。研究不同橡胶支座的材料和力学性能，有助于了解不同组合橡胶支座在桥梁结构中的抗震性能，从而保证连续梁刚构桥在地震作用下不发生严重破坏。且不同支座组合的连续刚构桥在地震作用下的响应更为复杂[3-4]。

基于此，本文研究不同橡胶支座组合的连续刚构桥的抗震性能，以NRBs，LRBs，HDRBs进行不同组合的研究；并与无支座的桥梁进行比较；利用MIDAS软件进一步讨论不同支座组合对桥梁支座位移及滞回曲线，桥墩顶位移和桥墩底部剪力的影响。研究结果可为连续刚构桥支座的选择提供合理的建议。

1 工程概况与工况设定

1.1 工程概况

本文以某连续刚构桥为研究对象，该桥为3×50 m连续梁，桥墩高50 m。主梁和桥墩混凝土的抗压强度分别为50 MPa和40 MPa。桥梁主梁由6根T梁组成;大桥总宽12.25 m，T梁高2.8 m;桥面铺装由8 cm厚的C40水泥混凝土和10 cm厚的沥青混凝土组成。桥墩为薄壁空心结构，断面面积为6 m×4 m，最小断面壁厚0.5 m，最大断面壁厚1 m。

1.2 工况设定

由于各桥墩反力不同，根据其竖向承重力，选择不同的桥梁支座组合。设定1号墩和4号墩采用相同类型的支座，2号墩和3号墩采用相同类型的支座。研究案例如下:

1)工况1:无支座;2)工况2:四个桥墩使用天然橡胶支座(NRBs);3)工况3:四个桥墩使用的铅芯橡胶支座(LRBs);4)工况4:1号和4号桥墩使用的NRBs，2号和3号桥墩使用LRBs;5)工况5:四个桥墩使用高阻尼橡胶支座(HDRBs);6)工况6:1号和4号桥墩使用天然橡胶支座(NRBs)，2号和3号桥墩使用高阻尼橡胶支座(HDRBs)。

1.3 有限元模型

利用非线性有限元程序MIDAS建立桥梁结构的三维模型。简化后的桥梁分析模型如图1所示。采用集总质量法和小离散段法对桥梁上部结构和下部结构进行了数值模拟。在桥梁结构建模中，梁采用弹性梁单元模拟，支座和桥墩采用非线性单元模拟。该模型共有572个节点，48个非线性梁柱，600个弹性线性梁柱和24个双线性链接单元。

2 桥梁的地震响应

2.1 支座位移

桥梁橡胶支座在地震作用下常发生变形，从而降低结构的地震荷载，其变形能力和滞回变形能直接反映其抗震效果。图2为在小震和大震作用下各桥墩处支座的位移。从中可以发现1号、4号墩的支座位移远高于2号、3号墩；3号桥墩在不同情况下的支座变形基本与2号墩相同；支座在大震作用下的位移约为小震作用的8倍。

图2(a)和图2(c)分别为小震和大震作用下各支座的纵向位移。不同桥墩的支座位移变化趋势相同。1号墩的支座位移较大，2号墩支座位移较小，与3号墩比较接近。1号、4号墩的支座位移一般大于2号、3号墩，主要是由于2号和3号桥墩的支座刚度较大。然而，在大地震作用下支座的最大位移为42.09 cm，超过了NRBs的极限变形。在小震情况下，1号墩和4号墩的支座位移超过了极限位移，这意味着该支座已发生了损坏。在小震和大震作用下，支座在工况1中的位移最大。在工况3中，每个支座的最大纵向位移约为30%和60%。在工况5中，每个支座的纵向位移分别约为小震和大震作用下最大位移的50%和65%，这也进一步表明四个桥墩都使用高阻尼橡胶支座会产生较大纵向位移，不利于桥梁抗震。

图2(b)和图2(d)分别为小震和大震作用下各支座的侧向位移。在不同情况下，1号和4号墩的支座位移较大，而2号和3号墩支座位移相近，均低于1号、4号桥墩。在小震和大震作用下，支座在情况2中存在最大位移。工况2中支座的位移超过了大震作用下的极限位移，说明支座在地震作用下发生了损伤。在工况3中，每个支座的横向位移约为30%和40%。在工况5中，每个支座的侧向位移分别约为小震和大震作用下最大位移的35%和45%。

在工况4和工况6小地震作用下，1号和4号墩支座的纵向和横向位移几乎是2号和3号墩的2倍，原因是后两个墩支座的预屈服刚度远大于前两个墩的NRBs。NRBs的位移超过了4号和6号墩大地震作用下的极限位移。在工况3和工况5的情况下，由于在所有桥墩上设置了LRBs和HDRBs，地震作用下的纵向和横向支座位移均小于其他情况。在大地震作用下，LRBs和HDRBs的位移均在极限位移范围内。因此，在大地震作用下，LRBs和HDRBs不屈服，具有较好的抗震性能。

2.2 支座滞回曲线

滞回曲线可以表征隔震支座的变形和能量特性。图3为小震和大震作用下2号墩LRBs和HDRBs在不同情况下的滞回曲线。

图3(a)为工况3中2号墩LRBs支座在小震和大震作用下的滞回曲线。可以发现工况3中LRB-2在小震和大震作用下的滞回曲线不同。2号墩的LRB-2支座在小震和大震作用下的最大位移分别为1.17 cm和22.26 cm，最大水平剪力分别为121 kN和572 kN。由于支座在小震作用下不屈服，耗能较少，为63 154 kJ。而在大震作用时屈服，对抗震效果和耗能有较大影响，耗能为3 903 502 kJ。

与工况3相比，工况 4中LRB-2在大小地震作用下的滞回曲线更加饱满。2号墩LRB-2支座在小地震和大地震作用下的最大位移分别为1.47 cm和28 cm，最大水平剪力分别为149 kN和683 kN，能耗分别为94 186 kJ和6 473 746 kJ。由图3(a)和图3(b)可以看出，工况4中2号墩的支座的位移、水平剪力和能耗都比工况 3大1.5倍，这主要是因为工况 4中1号墩和4号墩的支座在地震作用下的刚度比工况 3中的支座小得多，因此剪切变形比工况3中的支座大。

图3(c)和图3(d)分别为工况5和工况6在小地震和大地震作用下2号墩HDRB-2的滞回曲线。工况5中2号墩HDRB-2支座在小震和大震作用下的最大位移分别为1.81 cm和25 cm，最大水平剪力分别为110 kN和633 kN，能耗分别为121 453 kJ和548 017 kJ。在工况 6中，HDRB-2支座在小地震和大地震作用下的最大位移分别为2.68 cm和30.2 cm，最大水平剪切力分别为146 kN和744 kN，能耗分别为126 942 kJ和8 629 838 kJ。工况 6中2号墩支座的位移、水平剪力和能耗均大于工况 51.3倍，略大于工况 4。这表明，工况 4中的LRBs比工况 3中的HDRBs具有更好的隔离效果。

2.3 桥墩顶位移

在地震中，桥墩顶部的位移越大，对桥梁的破坏就越大。因此，将桥墩顶部位移控制在合理范围内，对保证桥梁的稳定性具有重要意义。图4为大小地震作用下不同情况下桥墩顶部的位移。在不同的情况下，2号墩和3号墩的顶部位 移一般大于1号墩和4号墩，而桥墩两侧的顶部位移与桥中间的两个桥墩相似，这主要是由于2号墩和3号墩的刚度更高，因此承受的地震荷载更大。

图4(a)为桥墩顶部在小地震作用下的纵向位移。在工况1中桥墩顶部位移最小，因为无支座桥梁的纵向刚度远大于其他工况。1号墩和4号墩顶位移最大，分别为-5.84 cm和5.53 cm。2号墩和3号墩顶部最大位移分别为-8.02 cm和7.80 cm;图4(b)为小地震作用下桥墩顶部的侧向位移;在不同工况下，四个桥墩的侧向位移先增大后减小。在工况1中，桥墩顶部的位移大于其他工况，而在工况3中，桥墩顶部的位移较小，几乎是最大位移的80%。

图4(c)为大地震作用下桥墩顶部纵向位移。在工况1中，四个桥墩的顶部位移最小;工况2中位移最大，分别为40.93 cm，49.01 cm，49.28 cm，40.72 cm。带有抗震支座的桥墩，其顶部位移相似；工况3中桥墩顶部的位移约为工况2中位移的60%。图4(d)为大地震作用下桥墩顶部的侧向位移。工况1和工况2中的四个桥墩的顶部位移几乎是最大的。工况3和工况5中桥墩顶部的横向位移约为无支座(工况1)的60%，说明抗震支座能够有效减小桥墩的位移，特别是在大地震作用下，且LRBs比HDRBs具有更好的隔震效果。

2.4 桥墩底部剪力

图5分别为在小地震和大地震作用下，不同支座桥梁纵向和横向的桥墩底部剪力图。由图5(a)可知，在工况1中，2号墩和3号墩底部剪力小于1号墩和4号墩。在其他工况下，2号墩和3号墩的底部剪力大于1号墩和4号墩。工况2中桥墩底部剪力较小，约为工况1中桥墩底部最大剪力的60%。图5(b)为小地震作用下桥墩底部横向剪力图。在不同工况下，桥墩底部剪力先增大后减小。桥墩底部整体剪力在工况1中较大，在工况5中较小。由于LRBs和HDRBs在小地震作用下不屈服，且屈服前刚度大于工况2的NRBs,因此导致2号和3号墩的底部剪力大于工况4和工况6的1号和4号墩。

图5(c)为大地震作用下桥墩底部纵向剪力图。工况2中4个桥墩底部剪力分别为6 821 kN，7 883 kN，7 947 kN，6 927 kN，均大于其他工况下相应桥墩底部剪力。有抗震支座的桥墩底部剪力约为无抗震支座的桥墩底部剪力的70%，工况4、工况6的桥墩底部剪力约为工况2的85%。图5(d)为大地震作用下桥墩底部横向剪力图。工况2中四个桥墩的底部剪力大于其他工况。工况3的桥墩底部剪力最小，为工况2桥墩底部剪力的65%;而工况1桥墩底部剪力介于工况2和工况6之间。

综上所述，采用隔震支座可有效降低桥梁桥墩底部在大地震作用下的剪力，说明LRBs和HDRBs组合具有较好的隔震效果。而在小地震作用下，由于桥梁无支座，桥梁结构的整体地震反应最大。

3 结论

2号墩和3号墩的顶部及支座位移一般比1号墩和4号墩大，底部剪力一般比1号墩大。由于1号墩和4号墩的支座刚度比2号墩和3号墩小，所以更多的地震荷载被传递到2号墩和3号墩。然而，在地震作用下，刚度较低的支座比刚度较高的支座有更大的位移。侧墩与中墩之间的支座刚度差异较大，导致桥梁结构各墩的地震反应更加不平衡。且LRBs和HDRBs通过屈服和阻尼效应耗散地震能量，在大震作用下表现出优异的隔震性能。因此建议在桥梁工程上使用LRBs和HDRBs组合。