趙健春，歐陽祿龍，王巨騰

(中國建筑土木建設有限公司，北京 100000)

在橋梁的抗震性能中，橡膠材料以其優(yōu)異的變形特性被廣泛應用于橋梁支座中，在橋梁抗震設計中發(fā)揮著重要作用[1]。已有研究人員研究不同類型橡膠支座對橋梁在強地震動作用下的破壞模式和抗震性能。然而，目前基于不同橡膠支座組合對連續(xù)剛構橋的因素研究很少[2]。研究不同橡膠支座的材料和力學性能，有助于了解不同組合橡膠支座在橋梁結構中的抗震性能，從而保證連續(xù)梁剛構橋在地震作用下不發(fā)生嚴重破壞。且不同支座組合的連續(xù)剛構橋在地震作用下的響應更為復雜[3-4]。

基于此，本文研究不同橡膠支座組合的連續(xù)剛構橋的抗震性能，以NRBs，LRBs，HDRBs進行不同組合的研究；并與無支座的橋梁進行比較；利用MIDAS軟件進一步討論不同支座組合對橋梁支座位移及滯回曲線，橋墩頂位移和橋墩底部剪力的影響。研究結果可為連續(xù)剛構橋支座的選擇提供合理的建議。

1 工程概況與工況設定

1.1 工程概況

本文以某連續(xù)剛構橋為研究對象，該橋為3×50 m連續(xù)梁，橋墩高50 m。主梁和橋墩混凝土的抗壓強度分別為50 MPa和40 MPa。橋梁主梁由6根T梁組成;大橋總寬12.25 m，T梁高2.8 m;橋面鋪裝由8 cm厚的C40水泥混凝土和10 cm厚的瀝青混凝土組成。橋墩為薄壁空心結構，斷面面積為6 m×4 m，最小斷面壁厚0.5 m，最大斷面壁厚1 m。

1.2 工況設定

由于各橋墩反力不同，根據(jù)其豎向承重力，選擇不同的橋梁支座組合。設定1號墩和4號墩采用相同類型的支座，2號墩和3號墩采用相同類型的支座。研究案例如下:

1)工況1:無支座;2)工況2:四個橋墩使用天然橡膠支座(NRBs);3)工況3:四個橋墩使用的鉛芯橡膠支座(LRBs);4)工況4:1號和4號橋墩使用的NRBs，2號和3號橋墩使用LRBs;5)工況5:四個橋墩使用高阻尼橡膠支座(HDRBs);6)工況6:1號和4號橋墩使用天然橡膠支座(NRBs)，2號和3號橋墩使用高阻尼橡膠支座(HDRBs)。

1.3 有限元模型

利用非線性有限元程序MIDAS建立橋梁結構的三維模型。簡化后的橋梁分析模型如圖1所示。采用集總質量法和小離散段法對橋梁上部結構和下部結構進行了數(shù)值模擬。在橋梁結構建模中，梁采用彈性梁單元模擬，支座和橋墩采用非線性單元模擬。該模型共有572個節(jié)點，48個非線性梁柱，600個彈性線性梁柱和24個雙線性鏈接單元。

2 橋梁的地震響應

2.1 支座位移

橋梁橡膠支座在地震作用下常發(fā)生變形，從而降低結構的地震荷載，其變形能力和滯回變形能直接反映其抗震效果。圖2為在小震和大震作用下各橋墩處支座的位移。從中可以發(fā)現(xiàn)1號、4號墩的支座位移遠高于2號、3號墩；3號橋墩在不同情況下的支座變形基本與2號墩相同；支座在大震作用下的位移約為小震作用的8倍。

圖2(a)和圖2(c)分別為小震和大震作用下各支座的縱向位移。不同橋墩的支座位移變化趨勢相同。1號墩的支座位移較大，2號墩支座位移較小，與3號墩比較接近。1號、4號墩的支座位移一般大于2號、3號墩，主要是由于2號和3號橋墩的支座剛度較大。然而，在大地震作用下支座的最大位移為42.09 cm，超過了NRBs的極限變形。在小震情況下，1號墩和4號墩的支座位移超過了極限位移，這意味著該支座已發(fā)生了損壞。在小震和大震作用下，支座在工況1中的位移最大。在工況3中，每個支座的最大縱向位移約為30%和60%。在工況5中，每個支座的縱向位移分別約為小震和大震作用下最大位移的50%和65%，這也進一步表明四個橋墩都使用高阻尼橡膠支座會產(chǎn)生較大縱向位移，不利于橋梁抗震。

圖2(b)和圖2(d)分別為小震和大震作用下各支座的側向位移。在不同情況下，1號和4號墩的支座位移較大，而2號和3號墩支座位移相近，均低于1號、4號橋墩。在小震和大震作用下，支座在情況2中存在最大位移。工況2中支座的位移超過了大震作用下的極限位移，說明支座在地震作用下發(fā)生了損傷。在工況3中，每個支座的橫向位移約為30%和40%。在工況5中，每個支座的側向位移分別約為小震和大震作用下最大位移的35%和45%。

在工況4和工況6小地震作用下，1號和4號墩支座的縱向和橫向位移幾乎是2號和3號墩的2倍，原因是后兩個墩支座的預屈服剛度遠大于前兩個墩的NRBs。NRBs的位移超過了4號和6號墩大地震作用下的極限位移。在工況3和工況5的情況下，由于在所有橋墩上設置了LRBs和HDRBs，地震作用下的縱向和橫向支座位移均小于其他情況。在大地震作用下，LRBs和HDRBs的位移均在極限位移范圍內(nèi)。因此，在大地震作用下，LRBs和HDRBs不屈服，具有較好的抗震性能。

2.2 支座滯回曲線

滯回曲線可以表征隔震支座的變形和能量特性。圖3為小震和大震作用下2號墩LRBs和HDRBs在不同情況下的滯回曲線。

圖3(a)為工況3中2號墩LRBs支座在小震和大震作用下的滯回曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)工況3中LRB-2在小震和大震作用下的滯回曲線不同。2號墩的LRB-2支座在小震和大震作用下的最大位移分別為1.17 cm和22.26 cm，最大水平剪力分別為121 kN和572 kN。由于支座在小震作用下不屈服，耗能較少，為63 154 kJ。而在大震作用時屈服，對抗震效果和耗能有較大影響，耗能為3 903 502 kJ。

與工況3相比，工況 4中LRB-2在大小地震作用下的滯回曲線更加飽滿。2號墩LRB-2支座在小地震和大地震作用下的最大位移分別為1.47 cm和28 cm，最大水平剪力分別為149 kN和683 kN，能耗分別為94 186 kJ和6 473 746 kJ。由圖3(a)和圖3(b)可以看出，工況4中2號墩的支座的位移、水平剪力和能耗都比工況 3大1.5倍，這主要是因為工況 4中1號墩和4號墩的支座在地震作用下的剛度比工況 3中的支座小得多，因此剪切變形比工況3中的支座大。

圖3(c)和圖3(d)分別為工況5和工況6在小地震和大地震作用下2號墩HDRB-2的滯回曲線。工況5中2號墩HDRB-2支座在小震和大震作用下的最大位移分別為1.81 cm和25 cm，最大水平剪力分別為110 kN和633 kN，能耗分別為121 453 kJ和548 017 kJ。在工況 6中，HDRB-2支座在小地震和大地震作用下的最大位移分別為2.68 cm和30.2 cm，最大水平剪切力分別為146 kN和744 kN，能耗分別為126 942 kJ和8 629 838 kJ。工況 6中2號墩支座的位移、水平剪力和能耗均大于工況 51.3倍，略大于工況 4。這表明，工況 4中的LRBs比工況 3中的HDRBs具有更好的隔離效果。

2.3 橋墩頂位移

在地震中，橋墩頂部的位移越大，對橋梁的破壞就越大。因此，將橋墩頂部位移控制在合理范圍內(nèi)，對保證橋梁的穩(wěn)定性具有重要意義。圖4為大小地震作用下不同情況下橋墩頂部的位移。在不同的情況下，2號墩和3號墩的頂部位 移一般大于1號墩和4號墩，而橋墩兩側的頂部位移與橋中間的兩個橋墩相似，這主要是由于2號墩和3號墩的剛度更高，因此承受的地震荷載更大。

圖4(a)為橋墩頂部在小地震作用下的縱向位移。在工況1中橋墩頂部位移最小，因為無支座橋梁的縱向剛度遠大于其他工況。1號墩和4號墩頂位移最大，分別為-5.84 cm和5.53 cm。2號墩和3號墩頂部最大位移分別為-8.02 cm和7.80 cm;圖4(b)為小地震作用下橋墩頂部的側向位移;在不同工況下，四個橋墩的側向位移先增大后減小。在工況1中，橋墩頂部的位移大于其他工況，而在工況3中，橋墩頂部的位移較小，幾乎是最大位移的80%。

圖4(c)為大地震作用下橋墩頂部縱向位移。在工況1中，四個橋墩的頂部位移最小;工況2中位移最大，分別為40.93 cm，49.01 cm，49.28 cm，40.72 cm。帶有抗震支座的橋墩，其頂部位移相似；工況3中橋墩頂部的位移約為工況2中位移的60%。圖4(d)為大地震作用下橋墩頂部的側向位移。工況1和工況2中的四個橋墩的頂部位移幾乎是最大的。工況3和工況5中橋墩頂部的橫向位移約為無支座(工況1)的60%，說明抗震支座能夠有效減小橋墩的位移，特別是在大地震作用下，且LRBs比HDRBs具有更好的隔震效果。

2.4 橋墩底部剪力

圖5分別為在小地震和大地震作用下，不同支座橋梁縱向和橫向的橋墩底部剪力圖。由圖5(a)可知，在工況1中，2號墩和3號墩底部剪力小于1號墩和4號墩。在其他工況下，2號墩和3號墩的底部剪力大于1號墩和4號墩。工況2中橋墩底部剪力較小，約為工況1中橋墩底部最大剪力的60%。圖5(b)為小地震作用下橋墩底部橫向剪力圖。在不同工況下，橋墩底部剪力先增大后減小。橋墩底部整體剪力在工況1中較大，在工況5中較小。由于LRBs和HDRBs在小地震作用下不屈服，且屈服前剛度大于工況2的NRBs,因此導致2號和3號墩的底部剪力大于工況4和工況6的1號和4號墩。

圖5(c)為大地震作用下橋墩底部縱向剪力圖。工況2中4個橋墩底部剪力分別為6 821 kN，7 883 kN，7 947 kN，6 927 kN，均大于其他工況下相應橋墩底部剪力。有抗震支座的橋墩底部剪力約為無抗震支座的橋墩底部剪力的70%，工況4、工況6的橋墩底部剪力約為工況2的85%。圖5(d)為大地震作用下橋墩底部橫向剪力圖。工況2中四個橋墩的底部剪力大于其他工況。工況3的橋墩底部剪力最小，為工況2橋墩底部剪力的65%;而工況1橋墩底部剪力介于工況2和工況6之間。

綜上所述，采用隔震支座可有效降低橋梁橋墩底部在大地震作用下的剪力，說明LRBs和HDRBs組合具有較好的隔震效果。而在小地震作用下，由于橋梁無支座，橋梁結構的整體地震反應最大。

3 結論

2號墩和3號墩的頂部及支座位移一般比1號墩和4號墩大，底部剪力一般比1號墩大。由于1號墩和4號墩的支座剛度比2號墩和3號墩小，所以更多的地震荷載被傳遞到2號墩和3號墩。然而，在地震作用下，剛度較低的支座比剛度較高的支座有更大的位移。側墩與中墩之間的支座剛度差異較大，導致橋梁結構各墩的地震反應更加不平衡。且LRBs和HDRBs通過屈服和阻尼效應耗散地震能量，在大震作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的隔震性能。因此建議在橋梁工程上使用LRBs和HDRBs組合。