高阻尼橡胶支座在连续梁桥减隔震设计中的应用

摘 要：高阻尼橡胶支座作为一种常见的桥梁减隔震装置，相比于普通板式橡胶支座，在地震作用下具有很好的耗能能力，可以较为有效的减小连续梁桥的地震响应，因此常常取代普通板式橡胶支座，被广泛的应用到连续梁桥的减隔震设计中。本文以某实际连续梁桥为例，通过对该连续梁桥分别采用普通板式橡胶支座和高阻尼橡胶支座的抗震性能进行比较，进而说明高阻尼橡胶支座与普通板式橡胶支座相比，能够更好的减小桥梁结构的地震响应，使桥梁结构具有更好的抗震性能。

关键词：高阻尼橡胶支座，连续梁桥，减隔震设计

中图分类号：U448.21+5文献标识码：A

引言

对于地震作用，传统的结构设计采用的对策是“抗震”，即主要考虑如何为结构提供抵抗地震作用的能力。一般说来，通过正确的“抗震”设计可以保证结构的安全，防止结构的倒塌，而结构构件的损伤是不可避免的。但是，在有些情况下，要靠结构自身抵抗地震作用非常困难，要付出很大的代价，因此必须寻求更为有效的抗震手段。而减隔震技术就是一种简便、经济、先进的工程抗震手段[1]。

近30多年来，国内外技术人员研制并开发了许多类型的减隔震装置，有些已经比较广泛地应用于实际工程结构。目前国内外常用的减隔震装置有分层橡胶支座（Laminated-Rubber Bearings）、铅芯橡胶支座（Lead-Rubber Bearings）、滑动摩擦型减隔震支座（Sliding-Bearings）、高阻尼橡胶支座（High Damping Rubber Bearings）、钢阻尼器和油阻尼器等[1]。目前，在我国的土木工程隔震结构中，最常用的隔震装置是铅芯橡胶支座。然而，大量的研究表明，铅芯橡胶支座在温度和交通荷载(低周疲劳)作用下支座中的铅芯将产生疲劳剪切破坏，使铅芯橡胶支座的阻尼性能大幅度降低；同时铅芯橡胶支座在使用的过程中容易造成橡胶开裂、铅芯外露，这也将会对环境造成污染，同时其使用功能也受到很大的影响。特别是在既是强地震带，又是自然环境保护区的、云南等地，铅对生态环境造成的污染将是无法弥补的。因此使用性能稳定的高阻尼橡胶支座，既能有效地保证工程结构的安全，又可以避免对生态环境的污染[2]。

高阻尼橡胶是在天然橡胶硫化的过程中加入了碳黑等添加剂，其支座的形状及构造与天然橡胶支座相同，但该橡胶材料自身可以吸收能量。由于与耗散功能集成在一起，可以节省使用空间，施工上也比较方便[3]。图1为高阻尼橡胶支座的滞回曲线。

图1高阻尼橡胶支座滞回曲线

高阻尼橡胶支座的力学特性很大程度上依赖于高阻尼橡胶支座在制作生产过程中所使用的添加剂的情况[4]。此外，变形大小、位移历程、竖向压应力以及温度变化等因素均会对高阻尼橡胶支座的力学性能产生较大的影响[5][6]。在实际桥梁工程计算时，为了简便起见，常采用双线性滞回模型来表示高阻尼橡胶支座的力学性能进行计算。

一、某连续梁桥工程概况

以某一实际桥梁为例，来说明高阻尼橡胶支座在连续梁桥减隔震设计中的应用。该大桥由主桥及两侧引桥组成，主桥桥型为独塔斜拉桥，两侧引桥均为两联5×30m+5×30m布置。引桥上部结构采用单箱四室预应力现浇混凝土箱梁结构，桥墩采用Y型墩，墩高范围由5m到10m。承台下为直径1.5m、桩长50米的钻孔灌注桩。

该大桥引桥部分初步设计时拟选用板式橡胶支座和高阻尼橡胶支座两种支座备选方案。

根据《中国地震动参数区划图GB18306-2001》，该拟建桥地区的抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.10g，根据场地土剪切波速测试，判定拟建场地类型属三类。按照规范[7]，得到该引桥在E1、E2水平下水平设计加速度反应谱如图2所示。

（1）E1水平设计加速度反应谱

（2）E2水平设计加速度反应谱

图2E1、E2水平下水平设计加速度反应谱

根据计算得到的加速度反应谱，采用纽约州立大学布法罗分校(the State University of New York at Buffalo)工程地震实验室(Engineering Seismology Laboratory)开发的RSCTH程序，生成E1、E2地震水平下对应的各三条人工地震动加速度时程曲线，如图3、4所示。

（1）E1-1地震动加速度时程曲线

（2）E1-2地震动加速度时程曲线

（3）E1-3地震动加速度时程曲线

图3E1水平下拟合得到的三条地震动加速度时程

（1）E2-1地震动加速度时程曲线

（2）E2-2地震动加速度时程曲线

（3）E2-3地震动加速度时程曲线

图4E2水平下拟合得到的三条地震动加速度时程

二、两种不同支座方案下连续梁桥地震响应分析比较

采用非线性有限元分析程序SAP2000，建立引桥部分即两联连续梁桥的三维空间有限元分析模型。使用钢筋混凝土框架单元模拟引桥的主梁和桥墩；二期恒载模拟为线质量作用；在承台质心处施加集中质量来考虑承台的地震响应贡献；在各墩承台底部采用土弹簧模拟桩基，以考虑桩-土的共同作用。

对于板式橡胶支座和高阻尼橡胶支座，分别采用link单元中的线性Linear单元和非线性Plastic-Wen单元进行模拟，根据支座承受的竖向力选择支座型号，其抗震计算所使用的相应的支座力学曲线如图5所示。其建立的全桥模型如图6所示。

（1）抗震计算所使用的板式橡胶支座力学曲线

（2）抗震计算所使用的高阻尼橡胶支座力学曲线

图5抗震计算所使用的支座力学曲线

图6Sap2000全桥模型

地震动输入方向选取顺桥向和横桥向。分析方法采用非线性直接积分方法，结构阻尼采用Rayleigh阻尼。

提取桥梁结构在E1、E2地震水平各三条地震波输入下地震响应的最大值作为桥梁结构时程分析的最终结果。由于地震工况较多，因此只提取E2地震水平下如图6所示的墩2、3、4、5上的支座位移以及墩底弯矩为例，对两种不同支座方案下连续梁桥的地震响应进行比较，其结果如图7、8所示。

（1）顺桥向E2水平下两种支座方案支座位移比较

（2）横桥向E2水平下两种支座方案支座位移比较

图7E2水平下两种支座方案支座位移响应比较

（1）顺桥向E2水平下两种支座方案墩底弯矩比较

（2）横桥向E2水平下两种支座方案墩底弯矩比较

图8E2水平下两种支座方案墩底弯矩响应比较

通过图7、8所示的E2地震水平下两种支座方案的支座位移以及墩底弯矩进行比较可以得到，相比于普通板式橡胶支座，应用高阻尼橡胶支座进行连续梁桥的减隔震设计，可以较好地减小桥梁结构的支座位移、墩底弯矩等地震响应，使桥梁结构具有更好的抗震性能，因此可以代替普通板式橡胶支座，成为该连续梁桥减隔震设计首选的支座类型。

三、结论

本文对一两联十跨的实际连续梁桥进行抗震分析，分别针对采用普通板式橡胶支座和高阻尼橡胶支座两种方案，通过比较E2地震水平下顺桥向和横桥向支座位移和墩底弯矩等地震响应，得到相比于普通板式橡胶支座而言，高阻尼橡胶支座具有更好的位移能力，与此同时，又可以更好地减小桥梁结构的地震响应，因此在连续梁桥减隔震设计中，往往可以取代普通板式橡胶支座，使连续梁桥具有更好的抗震性能。

参考文献：

[1] 叶爱君. 桥梁抗震. 北京:人民交通出版社. 2002.

[2] 朱昆. 高阻尼橡胶支座力学性能及其隔震效果分析研究. 学位论文：华中科技大学. 2009.

[3] 范立础, 王志强. 桥梁减隔震设计. 北京:人民交通出版社. 2001.

[4] Yong Yuan, Shi-ShuXiong, Jie Fu. Experimental Study of the Dynamic Behavlour of High Damping Rubber Bearing Isolator.Proceedings of the Tenth International Symposium on Structural Engineering for Young Experts.

[5] 庄学真,沈朝勇,金建敏. 桥梁高阻尼橡胶支座力学性能试验研究 [J]. 地震工程与工程振动. 2006.Vol.26.No.5.208-212.

[6] J.S. Hwang, T.Y. Hsu. A fractional derivative model to include effect of ambient temperature on HDR bearings [J]. Engineering Structures, 2001, Vol.23: 484~490.

[7] 中华人民共和国行业推荐性标准.公路桥梁抗震设计细则(JTG/TBOZ-01-2008).北京:人民交通出版社. 2008.

作者简介：

郑义，男，1963年6月生，副高级工程师，从事市政道桥专业设计施工工作。