葉明坤，資道銘，梁瑩瑩，梁德郡，劉界林，陳偉亮

（1.柳州東方工程橡膠制品有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西大學(xué)土木工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

前言

汶川地震后，國內(nèi)對橋梁抗震安全格外重視，頒布了新的橋梁抗震規(guī)范[1]，對橋梁抗震安全和抗震方法都進(jìn)行了全面修訂，將橋梁按重要等級分別進(jìn)行抗震安全設(shè)計，體現(xiàn)了小震不壞、中震可修、大震不倒的設(shè)防思想。規(guī)范中增加了減隔震設(shè)計方法及驗算要求的內(nèi)容，將橋梁減隔震技術(shù)作為一種抵抗地震技術(shù)方案主要方法之一。國內(nèi)也已出現(xiàn)多種減隔震技術(shù)所需要的減隔震裝置[2]。

橡膠支座是一種應(yīng)用廣泛的橋梁支撐，它由加勁鋼板和橡膠組成，具備了結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)要求不高、價格低、安裝維護(hù)方便的優(yōu)點而使用最廣。然而普通橡膠支座不滿足高烈度震區(qū)橋梁的抗震需要。鉛芯隔震橡膠支座由于在橡膠支座中加入了高純度鉛棒，增大了支座的阻尼，其阻尼比可達(dá)到0.18甚至更高，具有良好而穩(wěn)定的耗能能力，在水平剪切變形時的力學(xué)模型呈雙折線型，是一款效果優(yōu)良、性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)產(chǎn)品，因此在國內(nèi)外均有大量的工程應(yīng)用并取得了良好的效果，經(jīng)受了多次強(qiáng)震考驗。最近20年，國外興起阻尼比為0.12的高阻尼橡膠支座，現(xiàn)階段已發(fā)展到阻尼比高達(dá)或超過0.18的超高阻尼橡膠支座，并且已有具體的工程應(yīng)用，但公開發(fā)表對其性能研究的論文非常少[3]。

1 超高阻尼橡膠支座的力學(xué)性能要求

超高阻尼橡膠（以下簡稱支座）是在橡膠中加入助劑而提高了橡膠的阻尼耗能能力，用超高阻尼橡膠生產(chǎn)的超高阻尼橡膠支座，應(yīng)當(dāng)滿足橋梁支座的基本力學(xué)性能要求：即支座等效水平剛度、等效阻尼比的變化率在±30%的范圍以內(nèi)，水平極限變形能力達(dá)300%以上[4]。

另外應(yīng)特別注意的是水平疲勞穩(wěn)定性和低達(dá)－20℃的支座低溫性能。橋梁結(jié)構(gòu)中的隔震支座在使用壽命內(nèi)，可能會經(jīng)受多次地震。每次地震作用，隔震支座都會承受水平和豎向的反復(fù)循環(huán)荷載作用（低周疲勞），各種條件下其等效水平剛度和等效阻尼系數(shù)的改變也會影響結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析的準(zhǔn)確性。

2 超高阻尼橡膠支座的力學(xué)模型

支座在水平力的作用下產(chǎn)生變形，其力學(xué)模型可用雙折線性模型模擬，如圖1所示，實測滯回環(huán)曲線與圖1非常接近。

圖1 超高阻尼隔震橡膠支座力學(xué)模型

3 實際工程的隔震分析

3.1 橋梁工程概況

橋梁實際工程，4×30m由跨徑30m的4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁組成橋型圖如圖2所示：

3.2 有限元建模的建立

采用有限元程序Ansys對該大橋進(jìn)行抗震計算，采用空間梁單元beam188模擬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主梁和橋墩；二期恒載采用集中質(zhì)量單元mass21模擬；主梁與邊墩之間的聯(lián)結(jié)用combine39單元來模擬。對于非隔震結(jié)構(gòu)，墩與梁之間考慮板式橡膠支座，采用鉸接，而橋臺處考慮四氟板支座，采用摩擦單元，用非線性摩擦滑移單元combine39來模擬滑移支座。單元的起滑力為：

式中：μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)N為橋梁自重作用下支座的反力。

對于隔震結(jié)構(gòu)考慮墩與梁之間縱橋向和橫橋向隔震，采用combine39單元來模擬高阻尼橡膠支座。

分析中邊界條件為樁根部完全固定，考慮的荷載包括橋梁自重以及橋縱向和橫向水平地震作用。Ansys程序可自動計算橋梁結(jié)構(gòu)的自重，二期恒載包括橋面鋪裝層和護(hù)欄自重，采用集中質(zhì)量加在柱頂。

3.3 分析采用的地震波

在進(jìn)行該橋梁的地震時程響應(yīng)計算時，依據(jù)公路工程抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，應(yīng)采用多條地震波進(jìn)行計算分析，為便于比較，現(xiàn)選用三條地震波進(jìn)行分析，分別為三條經(jīng)調(diào)整與設(shè)計反應(yīng)譜相容的El Centro波和Kobe波以及Taft波。經(jīng)調(diào)整后的地震波輸入到結(jié)構(gòu)，可減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)離散性，E1下地震波的加速度峰值為0.094g，E2下的加速度峰值為0.377g。

3.4 隔震參數(shù)

橋梁實際采用的支座布置及參數(shù)如下：

11和15號墩各采用2個OVMSHDR670×670×183G1.2支座，剪切屈服力Qy＝172kN，一次剛度K1＝9.2kN/mm，屈服后的二次剛度K2＝2.1kN /mm，支座組裝后的高度為233mm。

12、13和 14號 墩 各 采 用 2個OVMSHDR970×970×149G1.2支 座，剪 切 屈 服 力 Qy＝368kN，一次剛度K1＝26.2kN/mm，屈服后的二次剛度K2＝5.8kN/mm，支座組裝后的高度為205mm。

3.5 自振特性分析

采用子空間疊代法求解該橋的動力特性，按照公路工程抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)分析中對應(yīng)于振型的有效質(zhì)量總和（即振型參與質(zhì)量）要占總質(zhì)量的90%以上，故為了保證計算精度，滿足振型在各個方向的軸線參與質(zhì)量之和達(dá)到要求，對該橋梁共計算了50階振動頻率和振型。由于一般情況下結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型起控制作用，限于篇幅，只給出了該橋梁的非隔震和隔震的前10階振動頻率和時間，振動頻率和振動周期計算結(jié)果列于表1：

表1 振動頻率和振動周期

3.6 隔震結(jié)構(gòu)抗震計算

分析計算中對結(jié)構(gòu)的順橋向和橫橋向進(jìn)行了抗震計算，在地震作用下，隔震支座進(jìn)入非線性狀態(tài)而耗能，理論上反應(yīng)譜法只適合于計算線性結(jié)構(gòu)，因此順橋向和橫橋向的地震反應(yīng)計算也只能用時程分析法。限于篇幅，現(xiàn)列出12號橋墩E2地震條件下的非隔震與隔震分析結(jié)果，El Centro波和Kobe波以及Taft波的的順橋向橋墩底部彎矩隔震率0.90、0.90、0.89；橫橋向橋墩底部彎矩隔震率0.92、0.92、0.90；順橋向橋墩底部剪力隔震率0.90、0.89、0.89；橫橋向橋墩底部剪力隔震率0.92、0.91、0.90；順橋向單樁樁頂彎矩隔震率0.89、0.88、0.88；橫橋向單樁樁頂彎矩隔震率0.64、0.63、0.56；順橋向單樁樁頂剪力隔震率0.90、0.88、0.88；橫橋向單樁樁頂剪力隔震率0.65、0.58、0.57。分析計算表明，采用合適的超高阻尼隔震橡膠支座，使得連續(xù)梁的自振周期從0.69秒延長至1.25秒。由于超高阻尼隔震橡膠支座的水平剛度較小，隔震橋梁的地震位移反應(yīng)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個橋墩中，減少了地震力集中的現(xiàn)象，改善了結(jié)構(gòu)的受力不均勻。

3.7 減隔震分析結(jié)論

（1）在E1地震作用下，順橋向和橫橋向隔震橋梁墩底彎矩和剪力的減震系數(shù)大部分在50%以上，樁頂內(nèi)力的減震系數(shù)大部分在30%以上，隔震橋梁較非隔震橋梁的內(nèi)力分布更加均勻，保證橋梁安全運行。

（2）在E2地震作用下，對于非隔震結(jié)構(gòu)，橋墩底部內(nèi)力分布極度不合理，內(nèi)力主要集中在12、13和14號墩上，并且進(jìn)入強(qiáng)烈塑性狀態(tài)，嚴(yán)重影響橋梁的運行，甚至?xí)?dǎo)致橋梁的倒塌。

（3）在E2地震作用下，采用超高阻尼隔震橡膠支座的橋梁墩底的彎矩和剪力的減震系數(shù)最大可達(dá)92%，避免了塑性鉸的產(chǎn)生，樁頂?shù)膬?nèi)力減震系數(shù)最大可達(dá)91%，保證樁基礎(chǔ)的安全。

（4）由于隔震支座的變形量較大，應(yīng)該正確地選擇合適匹配的伸縮縫裝置。

4 產(chǎn)品的生產(chǎn)與安裝

生產(chǎn)工藝是保證產(chǎn)品性能的重要途徑，其中最主要的是超高阻尼橡膠的配方性能，同時要保證產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和質(zhì)量控制要求與設(shè)計要求一致，生產(chǎn)完成后進(jìn)行成品測試，測試結(jié)果符合上述要求。控制批量生產(chǎn)時應(yīng)特別注意產(chǎn)品的質(zhì)量及組裝時的質(zhì)量要求；橡膠支座的安裝也是要求按規(guī)范進(jìn)行，特別注意安裝的平整、密實，保護(hù)不被機(jī)械擦傷。

[1]公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則（JTG/T B02-01-2008）[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]莊軍生.橋梁減震、隔震支座和裝置[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[3]資道銘，梁瑩瑩，等.幾種隔震橡膠支座性能研究及隔震效果探討[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2012，23（23）.