桥梁高阻尼隔震橡胶支座设计分析与验算

郑国华 杨 林

（1.安徽省城建设计研究总院股份有限公司华南分公司，广东 广州 510000；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610）

0 引言

我国是地震灾害多发的国家，一旦发生地震，桥梁结构有可能受到破坏，会严重影响救援人员和救援物资的顺利通行，也会影响灾后重建的进度和效率。截至目前，我国桥梁数量已超过91 万座，成为名副其实的桥梁大国和桥梁强国，其中的大桥和特大桥数量占比较多，开展大桥和特大桥的抗震性能设计成为这类桥梁设计的重点和难点，逐渐受到设计人员的重视，也是科研人员的研究重点。

根据规范[1]可知，常用下列两种抗震体系：一种是延性构件设计，另一种是减隔震支座和能量消耗装置。现阶段，抗震设计方法正由传统的强度理论过渡到延性理论,采用延性构件设计，主要是依靠自身的抗力来抵抗地震作用，往往在E2 地震作用下出现不可避免的损伤，不得不采取增加钢筋或截面尺寸的方法使构件处于弹性阶段或弹塑性阶段（满足规范要求的弹塑性阶段），因此采用减隔震设计显得尤为重要[2]。采用减隔震设计技术的目的是为了延长桥梁的使用周期。设计过程中，一方面要减少地震作用力的影响，同时也要控制桥梁结构位移的增大，给桥梁抗震设计带来困难。因此需要合适的减隔震支座来减少地震作用力的影响，同时兼顾合适的变形量[3]。

常用的减隔震支座有高阻尼隔震橡胶支座、黏滞阻尼器、分层橡胶支座、摆式滑动摩擦支座和铅芯橡胶支座等[4]。本研究采用具有良好力学性能的高阻尼隔震橡胶支座（简称HDR 隔震支座），具有较高的阻尼比，通过高阻尼橡胶水平方向的大位移剪切变形和在地震中产生的滞回耗能，吸收地震能量，降低地震响应，延长桥梁结构自振周期，减少地震作用力，从而达到隔震功能[5]。采用反应谱分析方法时，按等效水平刚度和等效阻尼比模拟力学特性；采用非线性动力时程分析方法时，按等效双线性恢复力模型对力学性能进行分析[6-7]。

1 桥梁概况及减隔震设计

1.1 桥梁概况

四川省大渡河丹巴水电站坝后巴旺大桥位于巴旺乡下游2km 处的大渡河上，紧挨目前现有的巴旺桥。左岸衔接现有乡村道路，右岸位于巴旺沟冲积台地上，采用明线连接G248 公路。桥梁上部结构采用（25+40+25）m装配式简支T梁，桥面连续；下部结构桥墩采用柱式墩，基础采用灌注桩基础，桥台采用U 型实体台。桥梁全长约102m，全宽9.5m。桥墩直径1.6m，桩基直径1.8m，1#桥墩墩高为14.7m，桩长为40m；2#桥墩墩高14.6m，桩长38m。1#桩基局部冲刷约10m 深，2#桩基局部冲刷约9.1m深。梁端的伸缩缝设计采用D60型伸缩缝装置。桥梁构造如图1所示。

图1 桥梁构造图（单位:cm）

1.2 减隔震设计

桥梁结构的过渡墩处的支座采用HDR(II)型矩形系列支座，分别在25.5m 跨采用HDR(II)-320×370×127-G0.8 高阻尼隔震支座和40m 跨采用HDR(II)-370×470×136-G0.8 高阻尼隔震支座。为了便于和普通板式橡胶支座作比较分析，普通板式橡胶支座型号根据高阻尼隔震支座的竖向承载力来确定，分别为GBZJ300×400×61(CR) 和 GBZJ350×550×71(CR)[8]。高阻尼隔震橡胶支座性能参数见表1所示。

表1 高阻尼隔震橡胶支座性能参数

2 桥梁结构有限元模型及基本特性分析

2.1 桥梁结构有限元模型

采用有限元程序Midas/civil 2020对全桥构建三维空间有限元模型，如图2 所示，全桥共用356 个单元。主桥、墩柱和桩均采用梁单元模拟，但对于采用桩基础的桥梁结构，结构有限元模型应考虑桩土共同作用，桩土的共同作用可采用等代土弹簧模拟，采用m 法计算等代土弹簧的刚度[9]。

图2 桥梁结构有限元模型

普通板式橡胶支座采用弹性连接中的一般连接，力求真实反映支座各方向刚度参数，通过计算分别求出各方向刚度：GBZJ300×400×61（CR）支座SDx=837550kN/m，SDy=1545kN/m，SDz=1545kN/m，SRx=28.2kN/m，SRy=10616kN/m，SRx=5870kN/m。高阻尼隔震支座采用MIDAS中一般连接特性值，其中参数的填写采用表1数据。

2.2 桥梁模型动力特性分析

本计算模型采用多重Ritz 向量法计算，线性和非线性结构的动力分析常用多重Ritz 向量法，与精确特征向量法相比，使用更少时间的多重Ritz 向量法能够产生更精确的计算结果。规范规定，计算方向给出的振型阶数，其有效振型参与质量应不低于该方向桥梁结构总质量的90%，模型需设置60 个Ritz 向量才满足此要求。当桥梁结构采用普通板式橡胶支座进行模拟时，顺桥向振动第一阶周期为2.389s，横桥向振动第一阶周期为1.693s，周期均较小，应引起重视。在地震作用下，桥梁结构的自振特性也是重点关注的对象[10]，该项目的第一模态振型是顺桥向变形为主，第二模态振型为横桥向变形为主。

2.3 桥梁模型地震响应分析

本工程抗震动设防类别为B 类，依据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本地区地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震基本烈度为Ⅶ度，反应谱特征周期为0.45s。该项目缺少地震安全评估报告，根据工程项目实际情况进行人工地震波的拟合，由相关规范可知，当桥梁结构采用减隔震设计时，不考虑E1 地震作用，只需进行E2 地震作用下的抗震计算分析。因此，该项目只考虑E2级地震波的模拟，采用Midas/Civil自带的Artificial Earthquake Generator软件进行人工地震波的模拟，进行时程分析需要模拟3 组人工地震波，且取3 组人工地震波中引起计算结果最大值的人工地震波。

根据地震设防参数，采用E2 地震作用反应谱来拟合人工地震波。规范规定，由反应谱拟合的人工地震波是否合理，需要进行反应谱和线性时程计算结果对比，由反应谱计算得到桩基顺桥向的弯矩为4699kN·m，线性时程法计算结果得到桩基顺桥向的弯矩为4735kN·m，两者数值接近，比值达到99.2%，符合规范要求，表明由反应谱拟合得到的人工地震波是有效的。

3 桥梁结构减隔震性能验算

桥梁结构采用减隔震设计，要求桥墩和桩基处于弹性阶段，除了验算桥墩和桩基的强度和变形外，还需对减隔震装置进行验算。

3.1 强度及变形验算

在E2 地震作用下，桥墩和桩基需保持弹性状态，需校核E2地震作用的结构响应。弯矩-曲率（M-Φ）作为评价截面的抗震性能被广泛应用于钢筋混凝土截面的抗震分析中。该项目针对桥墩和桩基的截面形式和配筋情况，利用Midas/Civil 软件建立桥墩和桩基截面弯矩-曲率（M-Φ）分析的典型截面模型，截面弯矩-曲率（M-Φ）分析需先确定材料本构模型，该项目的混凝土采用的本构模型是Mander 模型，钢材采用的本构模型是双折线模型。通过截面弯矩-曲率（M-Φ）分析得到桥墩和桩基的结果如表2 所示，E2 地震作用下周期和位移分析见表3所示。

表2 E2地震作用下强度验算表

对采用板式橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座的设计进行对比分析，结果如下：

（1）由表2可知：在弯矩-曲率（M-Φ）分析中，桥墩和桩基的弯矩值都比初始屈服弯矩小，可得在E2 地震作用下，桥墩和桩基构件均处于弹性阶段；桥梁结构采用普通板式橡胶支座引起的弯矩值比采用高阻尼隔震橡胶支座弯矩值大，隔震与非隔震的比值最低达到0.65，高阻尼隔震橡胶支座使用效果是显而易见的；桥墩和桩基的构件尺寸及钢筋配筋存在一定的优化空间。

（2）由表3 可知：第一，采用普通板式橡胶支座的周期比采用高阻尼隔震橡胶支座周期要小，显示高阻尼隔震橡胶支座可以延长桥梁结构的自振周期，对能量耗能起到一定作用；第二，采用普通板式橡胶支座的顺桥向和横桥向的墩顶位移比采用高阻尼隔震橡胶支座墩顶位移要大，原因是桥墩墩高较高和桩基受到河流冲刷的深度，下部结构整体偏柔性，普通板式橡胶支座的水平刚度SDy=1545kN/m，高阻尼隔震橡胶支座的初始水平刚度K1=3640kN/m，显示普通板式橡胶支座水平刚度比高阻尼隔震橡胶支座的初始水平刚度小，在E2 地震作用下，引起桥梁结构位移量大；第三，采用普通板式橡胶支座的梁端位移比采用高阻尼隔震橡胶支座梁端位移要大，在E2 地震作用下，桥梁结构采用普通板式橡胶支座的顺桥向梁端位移达到100.8mm，不满足采用D60 型伸缩缝装置要求；采用高阻尼隔震橡胶支座顺桥向梁端位移达到64.4mm，略超D60 型伸缩缝装置要求，基本上满足要求。

表3 E2地震作用下周期和位移分析表

3.2 减隔震装置验算

根据相关规范要求，减隔震装置是桥梁结构中必不可少的一环，应具备设计要求的性能，需验算的内容有恢复力增量、支座竖向承载能力和减隔震支座剪切应变等内容。

3.2.1 恢复力增量验算

在E2 地震作用下，为避免高阻尼隔震橡胶支座发生过大的变形及保证在地震后能够自动复位，除了要求提供阻尼外，还要求高阻尼橡胶支座有一定的屈后刚度。根据相关研究成果可知，建议将高阻尼隔震橡胶支座水平位移由设计位移的50%提高到设计位移时，其恢复力增量必须大于其承担的上部结构重量的2.5%。由表4 可知，该桥梁高阻尼隔震橡胶支座恢复力增量满足规范要求。

表4 恢复力增量验算分析表

3.2.2 支座竖向承载能力验算

在E2 地震作用下，高阻尼隔震橡胶支座在设计位移下的竖向承载能力，应大于其承担的地震作用效应和1.2 倍恒载作用效应之和。由表5 可知，该桥梁竖向承载力满足要求。

表5 支座竖向承载能力验算分析表

3.2.3 支座剪切应变验算

在E2 地震作用下，高阻尼隔震橡胶支座产生的剪切应变应小于2.5。由表6 可知，该桥梁制作剪切应变满足要求。

表6 支座剪切应变验算分析表

4 结束语

基于有限元计算方法，对本桥梁在E2 地震作用下采用高阻尼隔震橡胶支座设计及其与采用普通板式橡胶支座进行对比分析，得出如下结论：

（1）隔震与非隔震的比值最低达到0.65，表明高阻尼隔震橡胶支座的使用效果显而易见；

（2）采用高阻尼隔震橡胶支座的桥梁结构自振周期增加不明显，主要与桥墩墩高和桩基受冲刷的深度影响，整个下部结构偏柔性；

（3）采用高阻尼隔震橡胶支座的桥梁结构引起梁端位移能够满足D60型伸缩缝装置的伸缩量；

（4）采用高阻尼隔震橡胶支座的桥梁结构能够满足规范的隔震装置验算要求。