脉冲型地震动对高阻尼橡胶支座连续梁桥抗震性能的影响分析

摘要：文章以某典型高阻尼橡胶支座连续梁桥为工程实例，基于SAP2000软件建立全桥三维有限元模型，分析其在设置高阻尼橡胶支座下的结构振动模态特性。通过非线性时程分析其在近断层脉冲型地震动及非脉冲地震动下的抗震性能，探讨结构体系的位移及内力响应与支座的滞回特性。结果表明：高阻尼橡胶支座与相应墩柱的纵向位移具有协调性；连续梁桥的墩柱弯矩包络分布趋势及在各类地震动下的相对大小类似于墩柱位移响应；由于近断层地震动的速度脉冲效应，连续梁桥的地震响应明显高于无脉冲地震动，且脉冲周期的大小影响显著；由于高阻尼橡胶支座的速度相关特性，其位移及内力响应峰值与其滞回特性及结构的地震响应规律不一致；在脉冲型地震动作用下，应用于连续体系梁桥的高阻尼橡胶支座滞回行为饱满充分，累计耗能效果突出。

关键词：近断层；速度脉冲；高阻尼橡胶支座；连续梁桥；速度相关性

中图分类号：U443.36+1" " " 文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.029

文章编号：1673-4874（2024）11-0093-05

0引言

在我国高烈度地震区，中小跨径连续梁桥是跨越艰险山区的常用桥梁结构形式［1］。由于该类地区的地震活动频繁，地震运动强烈，通常会设置一定的减隔震措施，其中，高阻尼橡胶支座因其优良的减隔震性能与环境友好特点而被广泛应用于连续梁桥中［2］。然而，由于桥址地区特殊的地质构造，部分连续梁桥不可避免地临近断层或地震带甚至必须跨越活动断层带。相对于远场地震动，近场地震动具有复杂的频谱特性，其特有的速度脉冲效应会使桥梁结构的地震需求增大［3］。

目前，针对应用高阻尼橡胶支座的连续梁桥抗震性能研究已经较为充分。张煜敏等［4］研究发现高阻尼橡胶支座的滞回耗能使连续梁桥在地震作用下的梁体位移、墩顶位移及墩底弯矩、剪力响应均有所减小。王运航等［5］研究得出在墩高较低时高阻尼橡胶支座通过水平向大位移剪切变形及滞回耗能实现优良的减隔震性能。吴庆雄等［6］指出高阻尼橡胶支座的设置不仅能在控制其本身位移的基础上有效改善墩柱及桩基的内力需求，还能改善全桥的刚度分布，使桥梁结构体系的内力趋于合理化。王敏等［7］通过对比采用不同橡胶支座的连续梁桥抗震性能，发现在地震高烈度区，高阻尼橡胶支座的整体抗震效果明显优于其他类型的橡胶支座。然而，我国现行的《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）［8］关于近断层区域的抗震设防问题几乎为空白，且尚无成熟的近断层高阻尼橡胶支座连续梁桥抗震设计方法。高烈度近断层地区脉冲型地震动对高阻尼橡胶支座连续梁桥的抗震性能影响亟待研究。

为此，本文以某典型中小跨径连续体系梁桥为研究对象，建立全桥三维空间有限元模型，将高阻尼橡胶支座作为减隔震措施，并对该减隔震结构体系进行动力特性分析，输入不同脉冲型地震动，以研究全桥的抗震性能，包括结构的位移、内力响应及支座的滞回特性，为在脉冲型地震动作用下高阻尼橡胶支座于连续梁桥的应用提供参考及建议。

1工程概况

某典型中小跨径桥梁如图1所示，全桥为5跨30 m跨径连续体系梁桥（5×30 m）。荷载等级为公路Ⅰ级，桥面净宽11.6 m，桥面铺装分别为10 cm厚沥青混凝土、防水层及10 cm厚C40混凝土，桥面横坡为2%；上部结构采用预应力钢筋混凝土（后张）T梁，下部结构桥墩采用双柱式墩，墩径均为2.4 m，墩高为28.2～30.3 m，墩间设置截面为2.0 m×1.6 m的横系梁，墩台采用桩基础；两侧桥墩采用D160型伸缩缝。全桥采用高阻尼橡胶支座，墩柱P1～P4处支座型号为HDR（Ⅰ）-520×620×237-G1.0，交界墩P0、P5处支座型号为HDR（Ⅰ）-370×470×187-G1.0。

2结构建模及地震动输入

2.1结构有限元模型

根据实例桥梁尺寸及参数取值，全桥动力分析模型采用SAP2000软件建立，如下页图2所示。其中主梁、桥墩及横系梁采用框架单元模拟，忽略桩-土共同作用的影响，按固结处理；桥面铺装、人行道及护栏等二期荷载，采用集中质量法转化为点质量施加于相应主梁节点处；结构阻尼比取为0.05，并在进行非线性时程分析时采用Rayleigh阻尼。

2.2减隔震方案

减隔震技术的核心是控制地震能量，其中可切断能量传播途径的有支座隔震技术，可协助耗散能量的有支座和阻尼减震技术［9］。减隔震技术是简便、先进、有效的结构抗震手段，也是目前桥梁抗震设防的主要措施之一。尽管近断层地震对结构的损伤破坏显著，但关于现有减隔震措施对近断层连续梁桥的应用性研究较少。因此，非常有必要提出一种适用于脉冲型地震动的减隔震方案，用于保证近断层连续梁桥的抗震性能。

目前我国高烈度地震区铁路、公路及市政桥梁已广泛应用减隔震支座，合理选择减隔震支座的类型，可以有效降低地震力，使主梁地震力合理地分配到各下部结构中，降低对桥墩的刚度、强度和延性地震需求［10］。本工程采用高阻尼橡胶支座作为减隔震措施，在有限元模型中采用双线性模型Rubber Isolator模拟，如图3所示，其竖向压缩刚度、初始水平刚度、水平屈服力及屈服后水平刚度等力学参数按照规范［11］取值计算，如表1所示。

2.3动力特性分析

分析和认识结构的动力特性是进行桥梁抗震性能分析的基础和重要环节，为此，采用前述结构计算模型对该连续梁桥进行基于有限元方法的动力特性分析。桥梁模型的前4阶典型振动模态特性如表2所示，振动形式如图4所示。从周期取值及各阶模态的振动形式可看出，符合典型公路钢筋混凝土连续梁桥的基本特征。

该桥首阶振型为纵向平动，表明全桥纵向刚度相对于横向更弱，第一阶振型的质量参与系数就达到了64.6%，可见首阶振型占据桥梁结构动力响应的主体地位。

2.4地震动输入

近断层地震具有断层破裂的强方向性效应、滑冲效应、上盘效应以及大幅值竖向加速度特性等显著区别于远场的地面运动特征，其大幅值、长周期脉冲作用是重要的表现形式之一，导致地震能量以递增的形式进行，难以在短时间内耗散，对桥梁结构造成更加严重的破坏［12］。

因此，为定量分析脉冲型地震动对高阻尼橡胶支座连续梁桥抗震性能的影响，分别选取近断层短脉冲周期地震波、中等脉冲周期地震波、长脉冲周期地震波及无脉冲地震波，对结构进行地震动力响应分析。从美国太平洋强震数据库（Pacific Earthquake Engineering Research）中，分别选取我国台湾集集地震中3条具有明显脉冲效应且脉冲周期有显著大小差异的近场地震波、1条无脉冲效应的近场地震波作为输入地震动，所选地震波的基本参数如表3所示。图5为所选近断层地震波的加速度时程曲线和速度时程曲线对比图（PGA均调整为0.2 g）。从图5中可明显看出，近断层脉冲地震动记录在其速度时程曲线中存在明显的脉冲型地面运动，在加速度时程曲线的相应时段也存在类似现象，而近断层无脉冲地震动则无此类现象。

根据桥址场地地震安评报告，将各类近断层地震动水平分量峰值加速度调幅至桥梁E2地震动峰值加速度0.60g。由于该桥纵向较为不利，并根据规范在进行非线性时程响应分析时，地震动的输入方式为纵桥向+竖向（X+Z）。

3桥梁地震响应分析

3.1位移响应包络

各类近断层脉冲型地震动及无脉冲地震动下的结构梁体位移包络如图6所示。由图6可知，各类地震动下梁体位移的相对大小有显著区别，短脉冲周期地震波RSN1202下，高阻尼橡胶支座连续梁桥的梁体位移十分凸显，接近0.4 m；其次为长脉冲周期地震波RSN1489，＞0.2 m；随后为中等脉冲周期地震波RSN1244，可见近断层脉冲型地震动的脉冲周期大小对桥梁地震响应有明显影响；无脉冲地震波RSN1197下的梁体位移最小。由此，需注意在短脉冲周期地震波下桥梁梁体的地震位移需求，防止出现严重的落梁震害。

各类近断层地震动下的结构墩柱顶部位移包络相对大小规律与梁体位移包络类似，如图7所示。由图7可知，各类地震波下的墩顶位移分布趋势基本一致，两侧交界墩P0、P5的顶部位移较小，而P1（28.6 m）墩顶及P4（30.3 m）墩顶的位移响应较为突出，且在短脉冲周期地震波下较为明显。

由于支座与相应墩柱顶部纵向位移的协调性，高阻尼橡胶支座位移包络的分布趋势与墩柱位移包络相反，即墩顶位移与支座位移整体呈负相关，如图8所示。但需要注意的是，各类近断层地震下的支座位移包络相对大小规律发生了变化：短脉冲周期地震波＞无脉冲地震波＞中等脉冲周期地震波＞长脉冲周期地震波。可见，相较于结构本身而言，近断层地震波的脉冲周期大小对高阻尼橡胶支座的敏感程度不同，但还需要进一步分析支座内力的分布情况。

3.2内力响应包络

结构桥墩底部剪力响应包络如图9所示。由图9可知，各类地震动下的墩底纵向剪力分布趋势十分不一致，且相对大小与前述位移响应出现了差异。在中等脉冲周期地震波RSN1244下的墩底剪力最大，其次才是短脉冲周期地震波RSN1202；而长脉冲周期地震波RSN1489下的墩底剪力分布变化较大，交界墩P0、P5的底部剪力较小，同样是P1及P4墩底的剪力响应较为突出；相反在无脉冲地震波RSN1197下的墩底剪力分布趋于平缓。

如下页图10所示，不同于墩柱剪力包络响应，结构墩底的弯矩分布趋势较为一致，且各类地震动下的相对大小区分明显，均类似于墩柱位移包络（见图7）。但值得关注的是，在短脉冲周期地震波下的墩底面内弯矩相较于其他地震动十分突出，不利于墩柱的抗弯安全性，应避免其出现塑性破坏。

在各类近断层地震动下的高阻尼橡胶支座内力包络如图11所示。结合图8支座的位移包络共同分析支座的力学行为，可见支座的内力包络分布趋势与位移包络刚好相反，各地震动的相对大小规律则相同，两侧交界墩P0、P5的支座内力最小，而P3处支座的内力最大。

3.3支座滞回特性

为准确分析高阻尼橡胶支座的滞回特性，如图12展示了典型支座（P3处）在不同近断层地震波下的滞回曲线，结合图8位移包络及图11内力包络共同分析支座的力学特性。在短脉冲周期地震波下的高阻尼橡胶支座滞回行为较充分，缘于其具有强烈的速度脉冲效应，且其脉冲周期的长短为1.40 s接近于该桥梁一阶纵向自振周期1.99 s，加之高阻尼橡胶支座为速度相关型减隔震装置，由此支座的滞回特性最为显著，位移及内力响应突出，从而使桥梁易于发生共振现象，即会放大结构的动力响应；由于中等脉冲周期地震波及长脉冲周期地震波的脉冲周期逐渐远离桥梁的自振周期，其位移及内力响应依次减小，但两者的滞回行为接近；即使在无脉冲地震波下高阻尼支座的地震响应峰值较大，但其滞回特性相对而言并不饱满，且该类地震动本身对桥梁结构的地震响应均较小。

高阻尼橡胶支座的累计滞回耗能可清晰体现在脉冲型地震动及无脉冲地震动作用下的支座滞回特性，如图13所示。由图13可见，支座的滞回耗能大小规律为：短脉冲周期地震波＞中等脉冲周期地震波＞长脉冲周期地震波＞无脉冲地震波，该规律与高阻尼橡胶支座的速度相关特性和近断层地震波的速度脉冲效应相关，具体而言与脉冲型地震动的速度脉冲周期长短相关。

4结语

本文基于SAP2000软件建立了高阻尼橡胶支座连续体系梁桥的非线性有限元模型，研究了其在近断层脉冲型地震动及无脉冲地震动作用下的抗震性能。得出主要结论如下：

（1）由于支座与墩柱纵向位移的协调性，高阻尼橡胶支座的位移分布趋势与相应墩柱位移相反，即墩顶位移与支座位移整体呈负相关；支座的内力分布趋势与位移相反，各类近断层地震动的相对大小规律则相同。

（2）连续梁桥墩底的弯矩包络分布趋势较为一致，且各类地震动下的相对大小区分明显，均类似于墩顶位移包络。

（3）在近断层脉冲地震作用下，桥梁结构的地震响应明显高于近断层无脉冲地震作用，这是由于脉冲型地震动所具有的典型速度脉冲所致。

（4）脉冲型地震动的脉冲周期大小对连续梁桥的动力响应有明显影响，当脉冲周期和桥梁自振周期相近时，桥梁结构产生共振，出现响应放大效应。

（5）高阻尼橡胶支座作为速度相关型减隔震装置，在各类近断层地震作用下支座的位移及内力响应规律与墩柱有显著区别，在进行此类桥型抗震分析时需要注意。

（6）相较于结构本身而言，缘于高阻尼橡胶支座的速度相关特性和脉冲型地震动速度的脉冲效应，近断层地震动的脉冲周期大小对高阻尼橡胶支座的敏感程度不同，导致其位移及内力响应峰值与滞回饱满程度不一致，但支座的累计滞回耗能可确切体现其在不同近断层地震下的滞回耗能特性及屈服耗能能力。

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作者简介：黄业财（1992—），工程师，主要从事工程建设管理、信息化管理以及运营养护管理工作。

收稿日期：2024-05-18