采用高阻尼支座的PHC管樁橋梁抗震性能分析

逯宗典

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢430056）

0 引 言

隨著建造技術的發展，新材料、新工藝越來越多地應用于工業生產及交通建設；安全環保的工廠化裝配式構件在提高生產效率、保證施工質量及緩解勞動力缺口方面優勢明顯。對于橋梁比例高、樁基數量多的項目，常規鉆孔灌注樁施工周期長，已嚴重制約項目工期，為此可快速施工的預制樁基被應用于橋梁建設。預制PHC管樁工廠離心法預制，高壓養護3～4天即可使用，較普通PC樁28天的生產周期大大縮減，同時采用高強混凝土，單樁承載力較PC樁高，預制樁徑較PC樁大，應用范圍較PC樁廣，橋梁基礎一般采用PHC管樁較多。預制PHC管樁采用沉樁法施工，不需要泥漿池及沉淀池，現場施工速度快，較鉆孔灌注樁可節省一半樁基施工工期且環境保護宜控，但PHC管樁樁徑較小，壁厚薄，一般7～15 cm，沉樁地質條件要求高，抗震性能較鉆孔灌注樁差，一般在低烈度區采用。邸昊建議增加普通鋼筋改善PHC管樁抗震性能［1］，王鐵成等建議通過填芯改善PHC管樁在往復荷載下的延性性能［2］。高烈度區應用較少，往往需考慮配合減隔震等措施使用。國內常用的減隔震裝置有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺式減隔震支座等。摩擦擺式支座一般適用于支座噸位較大的橋梁，鉛芯橡膠隔震支座在使用過程中橡膠逐漸老化、開裂，鉛芯也會對周圍的環境造成嚴重的污染，且鉛芯橡膠支座的力學性能也受到不同程度的折減，因此對環境沒有污染且具備穩定性能的高阻尼橡膠隔震支座具有較高的需求性。國內對高阻尼橡膠支座的研究較多，張煜敏對常規高速梁橋采用高阻尼橡膠支座優化配置和抗震性能進行了分析［3］，李宇等對常規現澆下構高阻尼橡膠支座橋梁近場下的隔震特性進行了分析，得出近場下HDR能有效降低地震作用，但支座剛度硬化比太大會減少耗能能力［4］。目前介紹低烈度區管樁橋梁的文獻較多，而對于高烈度區采用管樁的隔震橋梁文獻較少。本文以高烈度水網區某高速公路一座采用PHC管樁的5×30 m小箱梁為例，探討采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁的動力特性，并通過非線性時程分析法，分析PHC管樁橋梁采用高阻尼橡膠支座的抗震性能，探討在地質條件許可下，采用隔震措施后PHC管樁在橋梁基礎應用的可行性，為高烈度區特別是軟土區橋梁設計提供一種思路。

1 高阻尼橡膠支座力學特性

高阻尼橡膠支座是采用特殊橡膠材料配制的支座，其形狀及構造與天然橡膠支座相同，該橡膠材料黏性大，自身可吸收能量，震動過程中將動能轉化為熱能，從而達到降低振幅的目的。高阻尼橡膠支座由上下連接鋼板、高阻尼橡膠及內部加勁鋼板組成，如圖1所示，高阻尼橡膠支座不但具有普通橡膠支座的承載特性，而且具有較高的阻尼特性，其具有優良的抗震和抗沖擊破壞能力。靜力狀態時其等效剛度Ks=ARGs/∑tr，Gs為靜荷載下高阻尼橡膠的剪切模量。動力分析中，通常采用修正的雙線性模型來模擬高阻尼橡膠支座的滯回特性，如圖2所示。

圖1 高阻尼橡膠支座構造及安裝圖（單位：mm）Fig.1 Structure and installation drawing of high damping rubber bearing（Unit：mm）

圖2 高阻尼橡膠支座的等效雙線性恢復力模型Fig.2 Equivalent bilinear restoring force model of high damping rubber bearing

高阻尼橡膠支座的等效剛度Keff=Fd/Dd=Qd/Dd+Kd。其等效阻尼比計算如下：

式中：Dd、Δy分別為高阻尼橡膠支座的水平設計位移（m）和屈服位移（m）；Kd為高阻尼橡膠支座的曲后剛度（kN/m）；Qd為高阻尼橡膠支座的特征強度（kN）即滯回曲線正向與剪力軸交叉值。

2 抗震性能分析

2.1 分析模型

以高烈度水網軟土區高速公路一聯5×30 m的五跨連續小箱梁為研究對象，橋面寬度12.75 m，柱式墩，柱徑1.5 m，柱高10 m；鉆孔灌注樁（樁徑1.8 m）和預制管樁基礎（PHC800AB110型［5］），分別采用普通橡膠支座（GYZ400×84、GYZF4300×76）和高阻尼橡膠支座方案（HDR-d395、HDRd295）；持力層為中密細砂。采用空間結構分析程序SAP2000V15建模分析，以桿系單元模擬主梁、橋墩的力學性能，其中主梁平均每延米重量為21.4 t；以Plasticwen單元模擬高阻尼橡膠支座，以link單元模擬板式橡膠支座特性；以土彈簧考慮樁土相互作用，建立集中質量模型，如圖3、圖4所示。

圖3 管樁基礎連續梁橋模型Fig.3 Model of pipe pile continuous beam bridge

圖4 鉆孔灌注樁連續梁橋模型Fig.4 Model of bored pile continuous beam bridge

2.2 地震動參數及反應譜計算

擬建橋址區為Ⅱ類場地、地震烈度Ⅶ度，場地特征周期Tg為0.4 s，豎向場地系數Cs為0.6，設計基本地震動加速度峰值為0.15g；擬建橋梁為高速公路B類橋梁，E1、E2水準下水平加速度反應譜最大值Smax分別為0.187 5g、0.637 5g，E2水準下反應譜如圖5（a）所示，同時采用3條人工波，具體見圖5（b）-（d）。

圖5 E2水準下反應譜及人工地震波Fig.5 Response spectrum and artificial seismic wave under E2 level earthquake

鉆孔灌注樁橋梁采用普通橡膠支座方案，PHC管樁橋梁分別采用普通橡膠支座方案和高阻尼橡膠支座方案進行結構動力特性分析；鉆孔灌注樁橋梁方案前三階振型分別為縱向振動、反對稱橫向及橫向擺動，PHC管樁橋梁高阻尼橡膠方案前三階振型分別為縱向振動、橫向擺動及反對稱橫向擺動，具體詳見表1，其中周期單位為s。

由表1可知，PHC管樁橋梁普通橡膠支座方案與鉆孔灌注樁橋梁普通橡膠支座方案結構的自振周期分別為2.034 s和2.356 s，兩者相差很小，兩種結構的動力特性相近，抗震性能差別不大。PHC管樁橋梁普通橡膠支座方案及高阻尼橡膠支座方案結構自振周期分別為2.034 s和1.743 s，均位于反應譜下降段，大于5Tg（Tg場地特征周期），結構動力特性均較好。由表2反應譜計算結果可知，E2水準地震縱向及豎向地震動輸入下，橋墩樁基均受拉，采用普通橡膠支座的PHC管樁橋梁樁基不能滿足抗震需求。綜合表1和表2可知，雖然普通橡膠支座PHC管樁橋梁方案自振周期長、結構動力特性較好，但普通支座不能消耗上部結構傳來的地震能量，樁基受拉，不滿足抗震需求，需增大結構尺寸改善結構體系或采取抗震措施消耗振動能量。

表1 PHC管樁橋梁和鉆孔灌注樁橋梁結構動力特性Table 1 Dynamic characteristics of PHC pipe pile bridge and bored pile bridge

表2 E2水準地震下普通橡膠支座PHC管樁橋梁樁基內力Table 2 Internal pile force of PHC pipe pile bridge with ordinary rubber bearing under E2 level earthquake

2.3 隔震性能檢驗

因采用減隔震設計的橋梁，可只進行E2地震作用下的抗震設計和驗算［6］，本文僅對E2水準地震下采用高阻尼橡膠支座HDRd395（等效阻尼比ξeff=0.15）方案進行計算分析。對于連續梁結構體系，橋墩墩底及樁基頂部為關鍵部分，是設計關注的重點，對采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁采用非線性時程分析法進行E2水準地震下縱向+豎向及橫向+豎向地震動輸入計算，取3條人工波計算結果的最大值，結果見表3-表5。

表3 E2水準地震縱向+豎向地震動輸入下橋墩墩底內力Table 3 Internal force of pier bottom under longitudinal and vertical seismic input of E2 level earthquake

由表3可知，E2水準地震縱向+豎向地震動輸入下，采用高阻尼橡膠支座后，動軸力減少，橋墩墩底軸力增加；墩底剪力及彎矩均大幅減少，墩底彎矩的減震率約44%，地震力大幅減少，減震效果顯著。由表4可知，管樁軸力均為壓力，而管樁剪力及彎矩均較小；綜合表2和表4可知，縱向+豎向地震動輸入時，采用高阻尼橡膠支座后，PHC管樁動軸力、剪力及彎矩均大幅減少；PHC管樁彎矩減震率約48%；減震效果較好；對于橫向+豎向地震動輸入因采用高阻尼橡膠支座后，橫向框架力進行重新分配，PHC管樁受壓、截面承載力均滿足要求且有一定的富裕。

表4 E2水準地震動輸入下管樁內力Table 4 Internal force of pipe pile under E2 level earthquake

由表5可知，采用高阻尼橡膠支座后，支座縱橋向和橫橋向最大位移分別為44.8 mm和46.8 mm，小于設計位移70 mm和最大容許位移175 mm，E2水準地震下高阻尼橡膠支座性能滿足抗震要求。綜上可知，采用高阻尼橡膠支座減震效果顯著，PHC管樁橋梁采用高阻尼橡膠支座后，在高烈度區方案可行；在地質條件允許的條件下，特別是水網軟土區可優先選用。

表5 E2水準地震動輸入下高阻尼橡膠支座位移Table 5 Displacement of high damping rubber bearing under E2 level earthquake mm

3 結 語

本文通過對高烈度水網區高速公路一聯5×30 m小箱梁分別采用鉆孔灌注樁和PHC管樁方案，進行動力特性分析及反應譜、非線性時程分析，得出以下結論：

（1）同等條件下，鉆孔灌注樁方案橋梁和PHC管樁方案橋梁自振周期相近，結構體系抗震能力差別不大。

（2）高烈度區，采用普通橡膠支座的PHC管樁方案雖然結構自振周期較長，但不能滿足抗震需求。

（3）采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁方案減震效果顯著，E2水準地震下橋墩的減震率為44%，PHC管樁的減震率為48%。

（4）高烈度區，采用高阻尼橡膠支座的PHC管樁橋梁方案在地質條件允許的情況下可行，尤其水網軟土區可優先采用。