超高阻尼隔震橡胶支座在桥梁中的应用

叶明坤，资道铭，梁莹莹，梁德郡，刘界林，陈伟亮

（1.柳州东方工程橡胶制品有限公司，广西 柳州 545005；2.广西大学土木工程学院，广西 南宁 530004）

前言

汶川地震后，国内对桥梁抗震安全格外重视，颁布了新的桥梁抗震规范[1]，对桥梁抗震安全和抗震方法都进行了全面修订，将桥梁按重要等级分别进行抗震安全设计，体现了小震不坏、中震可修、大震不倒的设防思想。规范中增加了减隔震设计方法及验算要求的内容，将桥梁减隔震技术作为一种抵抗地震技术方案主要方法之一。国内也已出现多种减隔震技术所需要的减隔震装置[2]。

橡胶支座是一种应用广泛的桥梁支撑，它由加劲钢板和橡胶组成，具备了结构简单、生产要求不高、价格低、安装维护方便的优点而使用最广。然而普通橡胶支座不满足高烈度震区桥梁的抗震需要。铅芯隔震橡胶支座由于在橡胶支座中加入了高纯度铅棒，增大了支座的阻尼，其阻尼比可达到0.18甚至更高，具有良好而稳定的耗能能力，在水平剪切变形时的力学模型呈双折线型，是一款效果优良、性能稳定的结构减隔震技术产品，因此在国内外均有大量的工程应用并取得了良好的效果，经受了多次强震考验。最近20年，国外兴起阻尼比为0.12的高阻尼橡胶支座，现阶段已发展到阻尼比高达或超过0.18的超高阻尼橡胶支座，并且已有具体的工程应用，但公开发表对其性能研究的论文非常少[3]。

1 超高阻尼橡胶支座的力学性能要求

超高阻尼橡胶（以下简称支座）是在橡胶中加入助剂而提高了橡胶的阻尼耗能能力，用超高阻尼橡胶生产的超高阻尼橡胶支座，应当满足桥梁支座的基本力学性能要求：即支座等效水平刚度、等效阻尼比的变化率在±30%的范围以内，水平极限变形能力达300%以上[4]。

另外应特别注意的是水平疲劳稳定性和低达－20℃的支座低温性能。桥梁结构中的隔震支座在使用寿命内，可能会经受多次地震。每次地震作用，隔震支座都会承受水平和竖向的反复循环荷载作用（低周疲劳），各种条件下其等效水平刚度和等效阻尼系数的改变也会影响结构反应分析的准确性。

2 超高阻尼橡胶支座的力学模型

支座在水平力的作用下产生变形，其力学模型可用双折线性模型模拟，如图1所示，实测滞回环曲线与图1非常接近。

图1 超高阻尼隔震橡胶支座力学模型

3 实际工程的隔震分析

3.1 桥梁工程概况

桥梁实际工程，4×30m由跨径30m的4跨预应力混凝土连续箱梁组成桥型图如图2所示：

3.2 有限元建模的建立

采用有限元程序Ansys对该大桥进行抗震计算，采用空间梁单元beam188模拟预应力混凝土连续梁桥的主梁和桥墩；二期恒载采用集中质量单元mass21模拟；主梁与边墩之间的联结用combine39单元来模拟。对于非隔震结构，墩与梁之间考虑板式橡胶支座，采用铰接，而桥台处考虑四氟板支座，采用摩擦单元，用非线性摩擦滑移单元combine39来模拟滑移支座。单元的起滑力为：

式中：µ为摩擦系数，FN为桥梁自重作用下支座的反力。

对于隔震结构考虑墩与梁之间纵桥向和横桥向隔震，采用combine39单元来模拟高阻尼橡胶支座。

分析中边界条件为桩根部完全固定，考虑的荷载包括桥梁自重以及桥纵向和横向水平地震作用。Ansys程序可自动计算桥梁结构的自重，二期恒载包括桥面铺装层和护栏自重，采用集中质量加在柱顶。

3.3 分析采用的地震波

在进行该桥梁的地震时程响应计算时，依据公路工程抗震设计规范规定，应采用多条地震波进行计算分析，为便于比较，现选用三条地震波进行分析，分别为三条经调整与设计反应谱相容的El Centro波和Kobe波以及Taft波。经调整后的地震波输入到结构，可减小结构的地震反应离散性，E1下地震波的加速度峰值为0.094g，E2下的加速度峰值为0.377g。

3.4 隔震参数

桥梁实际采用的支座布置及参数如下：

11和15号墩各采用2个OVMSHDR670×670×183G1.2支座，剪切屈服力Qy＝172kN，一次刚度K1＝9.2kN/mm，屈服后的二次刚度K2＝2.1kN /mm，支座组装后的高度为233mm。

12、13和 14号 墩 各 采 用 2个OVMSHDR970×970×149G1.2支 座，剪 切 屈 服 力 Qy＝368kN，一次刚度K1＝26.2kN/mm，屈服后的二次刚度K2＝5.8kN/mm，支座组装后的高度为205mm。

3.5 自振特性分析

采用子空间叠代法求解该桥的动力特性，按照公路工程抗震设计规范规定，结构分析中对应于振型的有效质量总和（即振型参与质量）要占总质量的90%以上，故为了保证计算精度，满足振型在各个方向的轴线参与质量之和达到要求，对该桥梁共计算了50阶振动频率和振型。由于一般情况下结构前几阶自振频率和振型起控制作用，限于篇幅，只给出了该桥梁的非隔震和隔震的前10阶振动频率和时间，振动频率和振动周期计算结果列于表1：

表1 振动频率和振动周期

3.6 隔震结构抗震计算

分析计算中对结构的顺桥向和横桥向进行了抗震计算，在地震作用下，隔震支座进入非线性状态而耗能，理论上反应谱法只适合于计算线性结构，因此顺桥向和横桥向的地震反应计算也只能用时程分析法。限于篇幅，现列出12号桥墩E2地震条件下的非隔震与隔震分析结果，El Centro波和Kobe波以及Taft波的的顺桥向桥墩底部弯矩隔震率0.90、0.90、0.89；横桥向桥墩底部弯矩隔震率0.92、0.92、0.90；顺桥向桥墩底部剪力隔震率0.90、0.89、0.89；横桥向桥墩底部剪力隔震率0.92、0.91、0.90；顺桥向单桩桩顶弯矩隔震率0.89、0.88、0.88；横桥向单桩桩顶弯矩隔震率0.64、0.63、0.56；顺桥向单桩桩顶剪力隔震率0.90、0.88、0.88；横桥向单桩桩顶剪力隔震率0.65、0.58、0.57。分析计算表明，采用合适的超高阻尼隔震橡胶支座，使得连续梁的自振周期从0.69秒延长至1.25秒。由于超高阻尼隔震橡胶支座的水平刚度较小，隔震桥梁的地震位移反应集中在隔震支座上，在E2地震的作用下，使得地震水平力合理地分配在各个桥墩中，减少了地震力集中的现象，改善了结构的受力不均匀。

3.7 减隔震分析结论

（1）在E1地震作用下，顺桥向和横桥向隔震桥梁墩底弯矩和剪力的减震系数大部分在50%以上，桩顶内力的减震系数大部分在30%以上，隔震桥梁较非隔震桥梁的内力分布更加均匀，保证桥梁安全运行。

（2）在E2地震作用下，对于非隔震结构，桥墩底部内力分布极度不合理，内力主要集中在12、13和14号墩上，并且进入强烈塑性状态，严重影响桥梁的运行，甚至会导致桥梁的倒塌。

（3）在E2地震作用下，采用超高阻尼隔震橡胶支座的桥梁墩底的弯矩和剪力的减震系数最大可达92%，避免了塑性铰的产生，桩顶的内力减震系数最大可达91%，保证桩基础的安全。

（4）由于隔震支座的变形量较大，应该正确地选择合适匹配的伸缩缝装置。

4 产品的生产与安装

生产工艺是保证产品性能的重要途径，其中最主要的是超高阻尼橡胶的配方性能，同时要保证产品的生产过程和质量控制要求与设计要求一致，生产完成后进行成品测试，测试结果符合上述要求。控制批量生产时应特别注意产品的质量及组装时的质量要求；橡胶支座的安装也是要求按规范进行，特别注意安装的平整、密实，保护不被机械擦伤。

[1]公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2008）[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[3]资道铭，梁莹莹，等.几种隔震橡胶支座性能研究及隔震效果探讨[J].广西工学院学报，2012，23（23）.