超高阻尼隔震橡膠支座在橋梁中的應用

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.廣西大學土木工程學院，廣西 南寧 530004）

前言

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

橡膠支座是一種應用廣泛的橋梁支撐，它由加勁鋼板和橡膠組成，具備了結構簡單、生產要求不高、價格低、安裝維護方便的優點而使用最廣。然而普通橡膠支座不滿足高烈度震區橋梁的抗震需要。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，其阻尼比可達到0.18甚至更高，具有良好而穩定的耗能能力，在水平剪切變形時的力學模型呈雙折線型，是一款效果優良、性能穩定的結構減隔震技術產品，因此在國內外均有大量的工程應用并取得了良好的效果，經受了多次強震考驗。最近20年，國外興起阻尼比為0.12的高阻尼橡膠支座，現階段已發展到阻尼比高達或超過0.18的超高阻尼橡膠支座，并且已有具體的工程應用，但公開發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的超高阻尼橡膠支座，應當滿足橋梁支座的基本力學性能要求：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，水平極限變形能力達300%以上[4]。

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

2 超高阻尼橡膠支座的力學模型

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

圖1 超高阻尼隔震橡膠支座力學模型

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跨預應力混凝土連續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對該大橋進行抗震計算，采用空間梁單元beam188模擬預應力混凝土連續梁橋的主梁和橋墩；二期恒載采用集中質量單元mass21模擬；主梁與邊墩之間的聯結用combine39單元來模擬。對于非隔震結構，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，FN為橋梁自重作用下支座的反力。

對于隔震結構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構的自重，二期恒載包括橋面鋪裝層和護欄自重，采用集中質量加在柱頂。

3.3 分析采用的地震波

在進行該橋梁的地震時程響應計算時，依據公路工程抗震設計規范規定，應采用多條地震波進行計算分析，為便于比較，現選用三條地震波進行分析，分別為三條經調整與設計反應譜相容的El Centro波和Kobe波以及Taft波。經調整后的地震波輸入到結構，可減小結構的地震反應離散性，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

橋梁實際采用的支座布置及參數如下：

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計規范規定，結構分析中對應于振型的有效質量總和（即振型參與質量）要占總質量的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量之和達到要求，對該橋梁共計算了50階振動頻率和振型。由于一般情況下結構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果列于表1：

表1 振動頻率和振動周期

3.6 隔震結構抗震計算

分析計算中對結構的順橋向和橫橋向進行了抗震計算，在地震作用下，隔震支座進入非線性狀態而耗能，理論上反應譜法只適合于計算線性結構，因此順橋向和橫橋向的地震反應計算也只能用時程分析法。限于篇幅，現列出12號橋墩E2地震條件下的非隔震與隔震分析結果，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象，改善了結構的受力不均勻。

3.7 減隔震分析結論

（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大部分在50%以上，樁頂內力的減震系數大部分在30%以上，隔震橋梁較非隔震橋梁的內力分布更加均勻，保證橋梁安全運行。

（2）在E2地震作用下，對于非隔震結構，橋墩底部內力分布極度不合理，內力主要集中在12、13和14號墩上，并且進入強烈塑性狀態，嚴重影響橋梁的運行，甚至會導致橋梁的倒塌。

（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最大可達92%，避免了塑性鉸的產生，樁頂的內力減震系數最大可達91%，保證樁基礎的安全。

（4）由于隔震支座的變形量較大，應該正確地選擇合適匹配的伸縮縫裝置。

4 產品的生產與安裝

生產工藝是保證產品性能的重要途徑，其中最主要的是超高阻尼橡膠的配方性能，同時要保證產品的生產過程和質量控制要求與設計要求一致，生產完成后進行成品測試，測試結果符合上述要求。控制批量生產時應特別注意產品的質量及組裝時的質量要求；橡膠支座的安裝也是要求按規范進行，特別注意安裝的平整、密實，保護不被機械擦傷。

[1]公路橋梁抗震設計細則（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].廣西工學院學報，2012，23（23）.