基於高阻尼橡膠支座的混凝土連續梁橋減隔震性能

邵長江1,2，房 麟1,2，錢永久1,2

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 抗震工程技術四川省重點實驗室，四川 成都 610031)

摘要：將一種新型的高阻尼橡膠減隔震支座應用在連續梁橋上，以橋墩及樁基抗彎能力和支座位移等性能指標為研究對象，基於數值模型，著重分析非規則混凝土連續梁橋縱橋向的減隔震性能。為使全橋結構的地震需求規則化、均勻化，根據數值分析結果，優化了非規則連續梁橋的減隔震支座設計參數和布置方案，採用連梁裝置和縱向限位擋塊解決隔震產生的大位移，並對樁基礎的設計方案進行了探討。連續梁橋的減隔震設計兼顧了抗震性能和經濟性的總體需求。計算模型考慮了場地土體剛度、支座非線性以及限位擋塊的碰撞等，分析結果表明高阻尼橡膠支座具有較好的減隔震性能。

關鍵詞：橋樑工程；連續梁橋；數值模擬；高阻尼橡膠支座；限位擋塊；優化設計

採用一般抗震措施(如延性抗震設計)的結構需要足夠的強度、變形能力與耗能能力，且結構的峰值加速度往往高於地震動輸入的加速度。而隔震結構，通過上部結構與下部結構解耦後，結構的振動周期顯著增加、滯回耗能能力大大增強，使結構的地震響應大大降低[1-2]。因而減隔震措施能夠顯著改善結構的抗震性能，被廣泛應用於強震區的橋樑工程中，是橋樑抗震設計中的重要減災措施和研究課題[3-4]。2013年的蘆山地震中，蘆山縣人民醫院門診綜合樓的減隔震效果非常顯著[5]。減隔震支座較高的阻尼值，在地震中可以有效地吸收地震能量、降低地震響應[6-10]，隔震裝置既可有效降低墩底彎矩剪力等動力響應又不增加梁體位移和支座變形，起到良好的隔震耗能效果[11]。高阻尼橡膠支座利用高阻尼橡膠材料和鋼板等構件通過硫化而成，既可保持疊層橡膠支座所具有的良好力學特性，同時具有較高的阻尼值，在地震中可以有效地吸收地震能量、降低地震響應[11-12]。支座通過水平方向大位移剪切變形和滯回耗能實現隔震功能，但其耐久性、耐火性能等問題，尚需進一步的試驗研究[12]。

相對於技術較為成熟、應用面廣的鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座的優勢在於其綠色環保。隨著高阻尼橡膠支座產品性能的穩步提高，該種新型支座正日益為工程界所接受。本文以一座擬建濱海地區的橋樑為研究對象，分析該橋樑採用高阻尼橡膠減隔震支座及縱向限位擋塊後的受力性能，以橋墩和樁基抗彎需求與能力、支座位移需求與能力為研究對象，比較各種減隔震設計方案的抗震性能，最終給出最優抗震設計方案。

某大橋引橋上部結構為3×30 m(1聯)+4×30 m(8聯)的35跨9聯預應力混凝土連續梁(如圖1所示)，分南北兩幅橋，引橋全長1 050 m，由左至右橋墩編號依次為P1,P2,…,P35。P1～P11號墩之間的主梁採用5片預製小箱梁，P11～P35號墩之間採用6片預製小箱梁(如圖2所示)。在P1～P11號墩蓋梁左側頂部安裝5個支座，P11號墩蓋梁右側至P35號墩蓋梁頂部左側安裝6個支座。橋面鋪裝為厚度10 cm的C50混凝土，外加13 cm厚的瀝青混凝土鋪裝層。橋墩為三立柱排架式，最高墩高為15.6 m，基礎為樁柱式。

圖1 橋樑結構有限元模型Fig.1 FEM model of bridge structure

圖2 橋樑結構模型局部Fig.2 Part of FEM model of bridge structure

橋址場地為Ⅲ類場地，場區大部區域原為出海口濱海地貌，路線範圍全部為填海造地區域，覆蓋層自上而下依次為：(1)回填粗砂、細砂，局部回填料為回填土、淤泥及填石、混凝土層；(2)淤泥、淤泥質土，局部發育有淤泥質土夾(混)砂、鬆散-中密砂層；(3)可塑-硬塑性土層、稍密-密實砂層、局部發育軟塑淤泥質土-黏性土；(4)中密-密實砂層、可塑-硬塑黏性土層。下伏基岩主要為燕山期侵入岩層。根據《中國地震動參數區劃圖》及橋樑地勘資料，橋址處於Ⅷ度設防區，根據橋址地震安評報告，橋址2000 a重現期(E2水準)的地震峰值加速度為0.333 7g。

根據引橋的結構特點，利用通用有限元程序MIDAS的空間梁單元，建立引橋空間有限元動力計算模型，考慮了樁土相互作用以及支座的非線性特性。引橋全部為預製小箱梁，考慮到施工安裝及費用問題，選用高阻尼支座、滑板支座進行減隔震設計，而未採用摩擦擺隔震支座。

橋樑結構的墩梁均採用三維空間梁單元模擬，通過豎向剛臂連接支座，剛臂上端與主梁節點剛性主從，剛臂下端為支座頂端節點。支座底部到蓋梁頂的支座墊石通過另外的剛臂來模擬。單元嚴格建立在主梁重心(質心)位置，確保主梁質量位置的準確，並考慮了橋面縱坡。在能力驗算中則採用纖維模型法計算橋墩及樁基構件的彎矩曲率曲線圖以及M-N圖，並根據《城市橋樑抗震設計規範》的要求，取等效屈服彎矩作為驗算指標進行驗算[13]。

在計算軟體MIDAS中可以用一種雙摺線彈塑性單元模擬高阻尼橡膠支座，只是具體的物理模擬參數取值會有所不同。對於非線性計算，不再使用等效剛度等效阻尼等數值，而採用具體的非線性恢復力數值模型進行模擬，這種模型可以考慮高阻尼橡膠支座的非線性耗能特性。

縱向限位擋塊採用碰撞單元模擬，碰撞剛度根據擋塊彎曲破壞模式的假定計算得到，其中緩衝塊則採用高阻尼單元單獨模擬。樁土相互作用按照m法的計算公式計算得每層土對樁的約束彈簧剛度值，彈簧剛度值計算方法與靜力法相同，土的抗力取值根據場地情況，取m動=2.5m靜。土彈簧的計算方法是根據地震危險性評估報告提供的地質資料，對橋樑所處場地土層沿順橋向分段，然後對土層進行厚度劃分，使得劃分後的各層土厚度趨於均勻。P10～P35水中橋墩考慮了5.0 m的一般沖刷深度對樁基埋置深度的影響。

橋樑抗震設防的基本原則是既要保證大橋的抗震安全性，又不致使造價增加太多，因此需要在安全與經濟之間進行合理平衡，這也是確定工程抗震設防標準的依據。根據《城市橋樑抗震設計規範》的相關規定，所研究的大橋屬乙類橋樑，結構抗震性能分析採用兩水平設防、兩階段設計的設計思想。乙類橋樑採用減隔震設計時的抗震設防目標是，結構在重現期約2 000 a的地震作用即E2地震作用下，橋墩和基礎不受損傷，基本在彈性工作範圍。採用減隔震設計的橋樑，在E2地震作用下，橋樑的耗能部位位於橋樑上、下部連接構件(支座、耗能裝置)，上部結構、橋墩和基礎不受損傷,基本在彈性範圍，因此沒有必要進行E1地震下的計算。

對於橋樑的減隔震設計，最重要的因素是可靠的減隔震裝置及合理的設計，使其在結構抗震中充分發揮作用，即橋樑結構的大部分耗能、塑性變形集中於這些裝置，同時允許這些裝置在E2地震作用下發生大的塑性變形和存在一定的殘餘變形，而結構其他構件的響應基本為彈性。正如《城市橋樑抗震設計規範》中提到，在橋樑中引入減隔震技術的目的就是利用減隔震裝置在滿足正常使用功能要求的前提下，延長結構周期，消耗地震能量，降低結構響應[13]。

3.1 設計方案說明

根據該橋的設計圖紙，首先進行了基於延性的抗震設計，但由於橋址處地震烈度較高，固定墩無法滿足抗震需求。方案一採用高阻尼橡膠支座減隔震方案。在抗震方案比選時，首先採用板式橡膠支座方案，板式橡膠支座可以有效地將上部結構的地震效應分配至各墩，但是板式橡膠支座容許位移有限，且僅能依靠摩擦力約束主梁的水平位移，計算表明支座變形大於容許變形，存在落梁的風險。

相對於設計方案一，方案二的橋墩截面沒有變化，只是將P9～P34號墩的樁基截面由原來的直徑1.8 m圓樁變為現在直徑2.1 m加鋼護筒的截面，鋼套筒厚度為18 mm。為解決方案一中過渡墩支座位移過大以及梁間相對位移過大可能引起的落梁和撞梁問題，在本方案中加入連梁裝置與緩衝墊層(如圖3所示)。在有限元軟體MIDAS Civil中用間隙單元模擬連梁裝置，間隙單元的剛度按照PC鋼筋的軸向抗拉剛度進行計算，初始間隙選為梁間間隙12 cm。

圖3 連梁裝置示意Fig.3 Schematic diagram of unseating prevention device

方案三在之前抗震措施和選擇用支座的基礎上做了如下調整：由於P9～P31號之間的過渡墩墩底內力較大導致配筋率過高，因此將P9～P31號墩之間的過渡墩上的高阻尼橡膠支座改為四氟滑板支座。為了防止支座更改後的支座位移過大，在P9～P31號之間的過渡墩上的滑板支座旁邊處添加支座擋塊，使得支座位移在到達一定數值後受到擋塊的限制，減小支座位移響應量。為了減小主梁對擋塊的撞擊力，在擋塊上部加厚度為5 cm的橡膠墊層，以增加撞擊時的阻尼，通過耗能減小衝擊力，限位擋塊的設計如圖4所示。

圖4 過渡墩處限位擋塊設計Fig.4 Design of restraining block on transfer pier

3.2 抗震能力及需求

根據排架式橋墩受力性能的特點，可以判斷橋墩和樁基的抗震能力都是由縱向地震控制，為此只需計算縱向地震作用下的受力及配筋率即可。抗震設計方案的必選也僅限於縱向地震作用下的能力需求分析，在此僅列出有代表性的3個設計方案在縱向罕遇地震下橋墩、樁基的能力需求比和支座位移的比較情況。

由表1可見，由於橋面坡度的變化、河槽內沖刷深度的不同及連續梁橋的墩高差異，導致橋樑結構的非規則性，使得相同截面的橋墩地震彎矩需求差異較大，體現了非規則的受力特性。為此需要通過調整減隔震裝置的設計參數，或通過增加限位措施，使得結構各部分的地震需求和抗震性能趨於規則化、均勻化，從而大大簡化橋墩和基礎的抗震設計。另外，單從橋墩的能力需求分析尚無法判斷各設計方案的優劣，還要綜合分析樁基的地震需求和抗震能力。

表1 縱向地震荷載作用下橋墩抗震需求和能力

Tab.1 Seismic demand and capacity of piers under longitudinal earthquake load

設計方案截面位置組合軸力/kN彎矩需求/(kN·m)彎矩能力/(kN·m)配筋率/%方案一P8墩底-4216.585944.3671251.00P23墩底-3478.696339.1378170.80P31墩底-3581.117258.6978890.80P34墩底-4588.508283.0285730.80方案二P8墩底-3765.818090.9480841.20P23墩底-3169.0511489.03116301.30P31墩底-3529.4713084.63130551.50P34墩底-4557.7112937.41137001.50方案三P8墩底-4159.066584.5669031.00P23墩底-3081.929759.42104341.30P31墩底-2890.269127.06103121.30P34墩底-4191.3610560.03111051.30

根據表2的計算結果，不難發現方案一所需截面配筋率最高，而此橋群樁基礎的工程量遠大於橋墩，因此抗震設計時，控制總體造價的是基礎設計方案，應著重研究基礎的抗震性能。為了進一步優化橋墩，尤其是樁基的抗震性能，對減隔震支座、縱向限位擋塊及連梁裝置等進行研究，針對有代表性的3個設計方案，通過調整支座參數最終得到工程造價最低(樁基配筋率最低)的方案三。

表3中過渡墩處的位移需求也表明，方案三的支座位移控制效果也是最好的。方案三使得結構的地震彎矩需求、配筋率最低，而且過渡墩的支座位移量最小，並且上述各項指標均滿足設計要求，為此推薦方案三作為橋樑結構的最終抗震設計方案。但是需要指出的是，方案三的計算結果表明，由於橋樑結構的非規則性，橋墩高度變化較大以及墩身較高的聯內，過渡墩的位移也會較大，這些位置(如P7,P31,P35)處應該設置大位移支座。

表2 縱向地震荷載作用下最不利單樁抗震需求和能力

Tab.2 Seismic demand and capacity of most dangerous single pile under longitudinal earthquake load

設計方案截面位置組合軸力/kN彎矩需求/(kN·m)彎矩能力/(kN·m)配筋率/%方案一P8墩底-4733.3211295.74133851.85P23墩底-4775.9818564.19193202.00P31墩底-4875.4818010.15193802.00P34墩底-5803.3818244.56199052.00方案二P8墩底-4294.9315705.22186152.50P23墩底-4889.7244597.02584331.30P31墩底-5039.6342514.26580051.30P34墩底-6156.8629600.7629781.30方案三P8墩底-4687.8912288.78130801.80P23墩底-5327.7332600.91321430.70P31墩底-5127.4828863.65319660.70P34墩底-113.638984.65272480.70

表3 縱向地震下過渡墩支座的地震位移(單位：m)

Tab.3 Seismic displacement of bearings on transfer piers under longitudinal earthquake(unit:m)

支座位置方案一方案二方案三縱向橫向縱向橫向縱向橫向P7左側0.3210.2850.2100.2270.1990.198P7右側0.4200.2760.3400.2040.2400.156P23左側0.2950.3000.2240.2200.1530.241P23右側0.3080.2900.2440.2050.1410.239P31左側0.2870.2930.2230.2050.2790.219P31右側0.2300.2850.1770.2190.1250.178P35左側0.5030.2830.3850.1950.2600.197

根據非線性時程計算的位移結果可以看出，相對於橫向地震位移，縱向地震位移較大，最大達到了50.3 cm，尤其是在相鄰兩聯墩高變化範圍較大的過渡墩處(如P7,P31,P35)。在這些過渡墩處，兩邊的支座位移相差較大，因此造成梁間相對位移也過大。在縱向地震下過渡墩處容易發生落梁、撞梁等地震危害，需要採取進一步的措施。

根據3個設計方案的數值分析結果，綜合考慮設計、施工中的各種因素，在突出結構性能和經濟投入相平衡的原則下，作者得到以下結論和建議：

E2地震下連續梁橋採用高阻尼橡膠支座減隔震方案，中間墩及過渡墩墩柱及樁基最不利截面的縱、橫向地震效應與恆載內力的最不利組合值均小於相應截面的抗彎能力，滿足規範規定的性能目標。

各種支座方案的地震位移需求分析表明，採用減隔震支座方案後，由於要兼顧過渡墩的抗震性能，過渡墩支座相對中間墩剛度小很多，使得該處梁體位移超過支座位移能力，需要附加抗震措施，改善上部結構的地震位移需求。

過渡墩採用縱向擋塊和連梁裝置的設計方案分析表明，限位擋塊以及附加耗能橡膠墊的防落梁裝置能夠有效降低上部結構的位移需求，同時不會大幅增加橋墩等部位的內力需求，因而是行之有效的限位措施。過渡墩在橫向地震作用下的支座位移需求也較大，計算分析時應該計入橫向擋塊的限位作用。

文中關於連續梁橋的減隔震性能分析說明高阻尼橡膠支座的布置方案、參數選擇、擋塊設計以及樁基礎的設計參數是合理的。高阻尼橡膠支座是一種新型減隔震支座，具有抗震性能優良、減隔震效果好等特點，隨著高阻尼橡膠耐久性的不斷提高，這種支座正逐步應用在大量橋樑工程的抗震實踐中。

參考文獻：

References:

[1] SKINNER R I, ROBINSON W H, MCVERRY G H. An Introduction to Siemic Isolation[M]. Chichester:John Wiley & Sons,1993.

[2] MARSICO M R. Siesmic Isolation and Energy Dissipation: Theoretical Basis and Applications [D]. Napoles: University of Naples, 2008.

[3] 王克海，孫永紅，韋韓,等.汶川地震後對我國結構工程抗震的幾點思考[J].公路交通科技，2008，25(11)：54-59 WANG Ke-hai, SUN Yong-hong, WEI Han，et al. Comments on Seismic Strengthening for Structural Engineering n China after Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25 (11): 54-59

[4] 周海濤.公路工程抗震減災技術回顧與展望[J].公路交通科技，2010，27(9):39-43. ZHOU Hai-tao. Review and Prospect of Earthquake Resistance and Disaster Mitigation Technology of Highway Engineering [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010, 27 (9):39-43.

[5] 周雲，吳從曉，張崇凌,等.蘆山縣人民醫院門診綜合樓隔震結構分析與設計[J].建築結構，2013，43(24):23-27. ZHOU Yun, WU Cong-xiao, ZHANG Chong-ling,et al. Analysis and Design of Seismic Isolation Structure in Outpatient Building of Lushan County People』s Hospital[J]. Building Structure, 2013, 43 (24):23-27.

[6] 庄學真，沈朝勇，金建敏.橋樑高阻尼橡膠支座力學性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2006，26(5)：208-212. ZHUANG Xue-zhen, SHEN Chao-yong, JIN Jian-min. Experimental Study on Mechanical Property of High Damping Rubber Bearing for Bridge[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2006, 26(5): 208-212.

[7] 楊亮，肖傑,王文欣，等.大跨度連續梁橋的減隔震和延性抗震分析[J].公路交通科技，2011，28(8):73-78. YANG Liang，XIAO Jie，WANG Wen-xin，et al. Analysis of Seismic Isolation and Ductility for Long-span Continuous Bridges[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011, 28 (8):73-78.

[8] 彭天波，李建中，范立礎.雙曲面球型減隔震支座的開發及應用[J].同濟大學學報:自然科學版，2007，35 (2)：176-180. PENG Tian-bo, LI Jian-zhong, FAN Li-chu. Development and Application of Double Spherical Aseismic Bearing [J]. Journal of Tongji University:Natural Science Edition, 2007, 35 (2):176-180.

[9] 郭磊，李建中，范立礎.大跨度連續梁橋減隔震設計研究[J].土木工程學報，2006，39(3)：81-85. GUO Lei, LI Jian-zhong, FAN Li-chu. Research on Seismic Isolation Design for long-span Continuous Bridges[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39 (3): 81-85.

[10]王浩，王春峰,李愛群，等.高烈度區新型減隔震連續梁橋的抗震性能[J].東南大學學報:自然科學版，2014，44(4)：793-798. WANG Hao, WANG Chun-feng, LI Ai-qun, et al. Seismic Performance of New Isolated Continuous Bridge in High Intensity Region [J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2014, 44 (4): 793-798.

[11]陳令坤，蔣麗忠，王麗萍,等.高速鐵路鉛芯橡膠支座橋樑隔震研究[J].華中科技大學學報:自然科學版，2012，40(1)：77-81. CHEN Ling-kun, JIANG Li-zhong, WANG Li-ping，et al. Seismic Isolation Application to High-speed Railway Bridges with Lead Rubber Bearings[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology:Natural Science Edition, 2012, 40 (1): 77-81.

[12]JT/T 842—2012，公路橋樑高阻尼隔震橡膠支座[S]. JT/T 842—2012, High Damping Seismic Isolation Rubber Bearings for Highway Bridges[S].

[13]CJJ166—2011,城市橋樑抗震設計規範[S]. CJJ166—2011, Code for Seismic Design of Urban Bridges[S].

Seismic Isolation Performance of Concrete Continuous Girder Bridge Based on High Damping Rubber Bearings

SHAO Chang-jiang1,2, FANG Lin1,2,QIAN Yong-jiu1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China; 2. Sichuan Provincial Key Laboratory of Seismic Engineering and Technology, Chengdu Sichuan 610031, China)

Abstract：A kind of innovative high damping rubber isolation bearing is applied on a continuous girder bridge. Taking the flexuary capacity of piers and piles as well as displacements of bearings as the research objects, the seismic isolation performance along the longitudinal direction of an irregular concrete continuous girder bridge is emphasized based on numerical model. To regularize and unify the seismic demands of the whole bridge system, various design parameters and layout of the isolators of the bridge are optimized according to the FEM result. The unseating device and restraining block are adopted to reduce the large seismic displacement of girder due to isolation design, and the design scheme of the pile foundation is also discussed. The balance between seismic performance and economy is considered in the final isolation seismic design. The effects of field soil stiffness, nonlinearity of beargings and collision of restraining blocks are considered in the calculation model. The analysis result shows that high-damped rubber bearing is a kind of highly effective isolation device.

Key words：bridge engineering; continuous girder bridge; numerical simulation; high damping rubber bearing; restraining block; optimum design

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2015.10.010

收稿日期：2014-9-26

基金項目：國家自然科學基金項目(51178395)；抗震工程技術四川省重點實驗室課題項目(SKZ20120006)

作者簡介：邵長江(1970-)，男，山東臨沂人，博士,副教授.(shao_chj@126.com)

中圖分類號：U442.5+5

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2015)10-0057-05

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