采用高阻尼支座的PHC管桩桥梁抗震性能分析

逯宗典

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉430056）

0 引 言

随着建造技术的发展，新材料、新工艺越来越多地应用于工业生产及交通建设；安全环保的工厂化装配式构件在提高生产效率、保证施工质量及缓解劳动力缺口方面优势明显。对于桥梁比例高、桩基数量多的项目，常规钻孔灌注桩施工周期长，已严重制约项目工期，为此可快速施工的预制桩基被应用于桥梁建设。预制PHC管桩工厂离心法预制，高压养护3～4天即可使用，较普通PC桩28天的生产周期大大缩减，同时采用高强混凝土，单桩承载力较PC桩高，预制桩径较PC桩大，应用范围较PC桩广，桥梁基础一般采用PHC管桩较多。预制PHC管桩采用沉桩法施工，不需要泥浆池及沉淀池，现场施工速度快，较钻孔灌注桩可节省一半桩基施工工期且环境保护宜控，但PHC管桩桩径较小，壁厚薄，一般7～15 cm，沉桩地质条件要求高，抗震性能较钻孔灌注桩差，一般在低烈度区采用。邸昊建议增加普通钢筋改善PHC管桩抗震性能［1］，王铁成等建议通过填芯改善PHC管桩在往复荷载下的延性性能［2］。高烈度区应用较少，往往需考虑配合减隔震等措施使用。国内常用的减隔震装置有铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座等。摩擦摆式支座一般适用于支座吨位较大的桥梁，铅芯橡胶隔震支座在使用过程中橡胶逐渐老化、开裂，铅芯也会对周围的环境造成严重的污染，且铅芯橡胶支座的力学性能也受到不同程度的折减，因此对环境没有污染且具备稳定性能的高阻尼橡胶隔震支座具有较高的需求性。国内对高阻尼橡胶支座的研究较多，张煜敏对常规高速梁桥采用高阻尼橡胶支座优化配置和抗震性能进行了分析［3］，李宇等对常规现浇下构高阻尼橡胶支座桥梁近场下的隔震特性进行了分析，得出近场下HDR能有效降低地震作用，但支座刚度硬化比太大会减少耗能能力［4］。目前介绍低烈度区管桩桥梁的文献较多，而对于高烈度区采用管桩的隔震桥梁文献较少。本文以高烈度水网区某高速公路一座采用PHC管桩的5×30 m小箱梁为例，探讨采用高阻尼橡胶支座的PHC管桩桥梁的动力特性，并通过非线性时程分析法，分析PHC管桩桥梁采用高阻尼橡胶支座的抗震性能，探讨在地质条件许可下，采用隔震措施后PHC管桩在桥梁基础应用的可行性，为高烈度区特别是软土区桥梁设计提供一种思路。

1 高阻尼橡胶支座力学特性

高阻尼橡胶支座是采用特殊橡胶材料配制的支座，其形状及构造与天然橡胶支座相同，该橡胶材料黏性大，自身可吸收能量，震动过程中将动能转化为热能，从而达到降低振幅的目的。高阻尼橡胶支座由上下连接钢板、高阻尼橡胶及内部加劲钢板组成，如图1所示，高阻尼橡胶支座不但具有普通橡胶支座的承载特性，而且具有较高的阻尼特性，其具有优良的抗震和抗冲击破坏能力。静力状态时其等效刚度Ks=ARGs/∑tr，Gs为静荷载下高阻尼橡胶的剪切模量。动力分析中，通常采用修正的双线性模型来模拟高阻尼橡胶支座的滞回特性，如图2所示。

图1 高阻尼橡胶支座构造及安装图（单位：mm）Fig.1 Structure and installation drawing of high damping rubber bearing（Unit：mm）

图2 高阻尼橡胶支座的等效双线性恢复力模型Fig.2 Equivalent bilinear restoring force model of high damping rubber bearing

高阻尼橡胶支座的等效刚度Keff=Fd/Dd=Qd/Dd+Kd。其等效阻尼比计算如下：

式中：Dd、Δy分别为高阻尼橡胶支座的水平设计位移（m）和屈服位移（m）；Kd为高阻尼橡胶支座的曲后刚度（kN/m）；Qd为高阻尼橡胶支座的特征强度（kN）即滞回曲线正向与剪力轴交叉值。

2 抗震性能分析

2.1 分析模型

以高烈度水网软土区高速公路一联5×30 m的五跨连续小箱梁为研究对象，桥面宽度12.75 m，柱式墩，柱径1.5 m，柱高10 m；钻孔灌注桩（桩径1.8 m）和预制管桩基础（PHC800AB110型［5］），分别采用普通橡胶支座（GYZ400×84、GYZF4300×76）和高阻尼橡胶支座方案（HDR-d395、HDRd295）；持力层为中密细砂。采用空间结构分析程序SAP2000V15建模分析，以杆系单元模拟主梁、桥墩的力学性能，其中主梁平均每延米重量为21.4 t；以Plasticwen单元模拟高阻尼橡胶支座，以link单元模拟板式橡胶支座特性；以土弹簧考虑桩土相互作用，建立集中质量模型，如图3、图4所示。

图3 管桩基础连续梁桥模型Fig.3 Model of pipe pile continuous beam bridge

图4 钻孔灌注桩连续梁桥模型Fig.4 Model of bored pile continuous beam bridge

2.2 地震动参数及反应谱计算

拟建桥址区为Ⅱ类场地、地震烈度Ⅶ度，场地特征周期Tg为0.4 s，竖向场地系数Cs为0.6，设计基本地震动加速度峰值为0.15g；拟建桥梁为高速公路B类桥梁，E1、E2水准下水平加速度反应谱最大值Smax分别为0.187 5g、0.637 5g，E2水准下反应谱如图5（a）所示，同时采用3条人工波，具体见图5（b）-（d）。

图5 E2水准下反应谱及人工地震波Fig.5 Response spectrum and artificial seismic wave under E2 level earthquake

钻孔灌注桩桥梁采用普通橡胶支座方案，PHC管桩桥梁分别采用普通橡胶支座方案和高阻尼橡胶支座方案进行结构动力特性分析；钻孔灌注桩桥梁方案前三阶振型分别为纵向振动、反对称横向及横向摆动，PHC管桩桥梁高阻尼橡胶方案前三阶振型分别为纵向振动、横向摆动及反对称横向摆动，具体详见表1，其中周期单位为s。

由表1可知，PHC管桩桥梁普通橡胶支座方案与钻孔灌注桩桥梁普通橡胶支座方案结构的自振周期分别为2.034 s和2.356 s，两者相差很小，两种结构的动力特性相近，抗震性能差别不大。PHC管桩桥梁普通橡胶支座方案及高阻尼橡胶支座方案结构自振周期分别为2.034 s和1.743 s，均位于反应谱下降段，大于5Tg（Tg场地特征周期），结构动力特性均较好。由表2反应谱计算结果可知，E2水准地震纵向及竖向地震动输入下，桥墩桩基均受拉，采用普通橡胶支座的PHC管桩桥梁桩基不能满足抗震需求。综合表1和表2可知，虽然普通橡胶支座PHC管桩桥梁方案自振周期长、结构动力特性较好，但普通支座不能消耗上部结构传来的地震能量，桩基受拉，不满足抗震需求，需增大结构尺寸改善结构体系或采取抗震措施消耗振动能量。

表1 PHC管桩桥梁和钻孔灌注桩桥梁结构动力特性Table 1 Dynamic characteristics of PHC pipe pile bridge and bored pile bridge

表2 E2水准地震下普通橡胶支座PHC管桩桥梁桩基内力Table 2 Internal pile force of PHC pipe pile bridge with ordinary rubber bearing under E2 level earthquake

2.3 隔震性能检验

因采用减隔震设计的桥梁，可只进行E2地震作用下的抗震设计和验算［6］，本文仅对E2水准地震下采用高阻尼橡胶支座HDRd395（等效阻尼比ξeff=0.15）方案进行计算分析。对于连续梁结构体系，桥墩墩底及桩基顶部为关键部分，是设计关注的重点，对采用高阻尼橡胶支座的PHC管桩桥梁采用非线性时程分析法进行E2水准地震下纵向+竖向及横向+竖向地震动输入计算，取3条人工波计算结果的最大值，结果见表3-表5。

表3 E2水准地震纵向+竖向地震动输入下桥墩墩底内力Table 3 Internal force of pier bottom under longitudinal and vertical seismic input of E2 level earthquake

由表3可知，E2水准地震纵向+竖向地震动输入下，采用高阻尼橡胶支座后，动轴力减少，桥墩墩底轴力增加；墩底剪力及弯矩均大幅减少，墩底弯矩的减震率约44%，地震力大幅减少，减震效果显著。由表4可知，管桩轴力均为压力，而管桩剪力及弯矩均较小；综合表2和表4可知，纵向+竖向地震动输入时，采用高阻尼橡胶支座后，PHC管桩动轴力、剪力及弯矩均大幅减少；PHC管桩弯矩减震率约48%；减震效果较好；对于横向+竖向地震动输入因采用高阻尼橡胶支座后，横向框架力进行重新分配，PHC管桩受压、截面承载力均满足要求且有一定的富裕。

表4 E2水准地震动输入下管桩内力Table 4 Internal force of pipe pile under E2 level earthquake

由表5可知，采用高阻尼橡胶支座后，支座纵桥向和横桥向最大位移分别为44.8 mm和46.8 mm，小于设计位移70 mm和最大容许位移175 mm，E2水准地震下高阻尼橡胶支座性能满足抗震要求。综上可知，采用高阻尼橡胶支座减震效果显著，PHC管桩桥梁采用高阻尼橡胶支座后，在高烈度区方案可行；在地质条件允许的条件下，特别是水网软土区可优先选用。

表5 E2水准地震动输入下高阻尼橡胶支座位移Table 5 Displacement of high damping rubber bearing under E2 level earthquake mm

3 结 语

本文通过对高烈度水网区高速公路一联5×30 m小箱梁分别采用钻孔灌注桩和PHC管桩方案，进行动力特性分析及反应谱、非线性时程分析，得出以下结论：

（1）同等条件下，钻孔灌注桩方案桥梁和PHC管桩方案桥梁自振周期相近，结构体系抗震能力差别不大。

（2）高烈度区，采用普通橡胶支座的PHC管桩方案虽然结构自振周期较长，但不能满足抗震需求。

（3）采用高阻尼橡胶支座的PHC管桩桥梁方案减震效果显著，E2水准地震下桥墩的减震率为44%，PHC管桩的减震率为48%。

（4）高烈度区，采用高阻尼橡胶支座的PHC管桩桥梁方案在地质条件允许的情况下可行，尤其水网软土区可优先采用。