港珠澳非通航孔橋梁減隔震設計及研究

孔令俊，陳彥北，寧響亮

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

橋梁支座是連接橋梁上部結構和下部結構的重要部件，其功能是將上部結構承受的各種荷載（靜、動及沖擊載荷）傳遞給墩臺，并能適應上部結構由于荷載、溫度變化、混凝土收縮等產生的變形，使上部結構的實際受力情況符合設計要求。同時，橋梁支座可減緩橋梁因載荷作用產生的震動，具有減震性能[1]。1976年新西蘭Bill Robinson博士發明了橡膠隔震墊技術，自此，隔震技術在多個國家逐步展開[2]。

日本早期的隔震系統都是由天然橡膠隔震支座或者鉛芯橡膠隔震支座組成，大成建設株式會社開發出由疊層橡膠支座和摩擦滑移支座共同組成的混合基礎隔震系統[3]。美國也對隔震技術進行了大量研究，1986年在美國科學基金的支持下，完成了首棟采用疊層橡膠隔震支座的建筑南加州秋鎮司法實務中心大樓[4]。中國隔震技術也緊跟世界前列，唐家祥等[5]對隔震器力學性能、疊層橡膠支座設計、隔震結構設計、橡膠支座體系進行了大量的理論和試驗研究。

目前，土木工程中，最常用的橡膠隔震裝置是鉛芯疊層橡膠隔震支座和高阻尼支座[6]。但是鉛芯疊層橡膠隔震支座在生產和使用過程中鉛芯可能會對環境造成無法彌補的污染[7]。相比之下，高阻尼橡膠支座具有既能有效保證工程結構的安全，又可以避免對生態環境污染的性能。

本文根據K18+783—K19+443標段高墩區非通航孔標準聯6×110 m的設計要求，首先確定了該段橋梁用高阻尼橡膠支座的設計參數，其次對高阻尼支座橋梁進行了減隔震設計分析與地震響應計算，最后對高阻尼橡膠支座進行了型式試驗，表明所設計的高阻尼橡膠支座可以滿足橋梁設計要求。

1 高阻尼橡膠支座設計參數及橋梁支座布置

1.1 高阻尼橡膠支座設計參數

高阻尼橡膠支座設計參數如表1所示，其中HDR（30 000 kN）與HDR（25 000 kN）高阻尼橡膠支座尺寸為1 670 mm×1 670 mm，基準面壓分別為11.02 MPa和9.18 MPa；HDR（12 500 kN）高阻尼橡膠支座尺寸為1 670 mm×920 mm，基準面壓為8.42 MPa。

表1 高阻尼橡膠支座的優化設計參數

1.2 橋梁支座布置

橋面標準寬度為33.1 m，每墩布置2個高阻尼橡膠支座，支座中心距為5.2 m，該聯橋共布置14個高阻尼橡膠支座。

支座布置如圖1所示（由于布置圖對稱，圖中只表示了一半支座布置圖）。

圖1 高阻尼橡膠支座布置示意圖

2 橋梁概況

該橋為港珠澳大橋K18+783—K19+443標段高墩區非通航孔標準聯連續鋼箱梁橋，跨度為6×110 m，全長660 m。橋址區地震抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.15g，120年超越概率為5%的設計水平向地震動參數為235 cm/s2。橋梁公路等級為Ⅰ級，行車道數為雙向6車道，設計使用壽命120年，橋梁標準寬度為33.1 m，主梁為等截面鋼箱梁。橋梁設計荷載按現行規范進行設計并對部分荷載進行提高。圖2和圖3為該橋的分析模型和鋼箱梁標準截面圖。橋墩為深水區非通航孔高橋墩，高度從22.54 m到33.91 m。

圖2 橋梁分析模型

圖3 主梁鋼箱梁標準截面（單位：mm）

3 橋梁地震響應分析

3.1 橋梁墩底和承臺底內力

對減隔震橋梁輸入順橋向和橫橋向地震作用進行時程分析，得到E2地震作用下橋梁順橋向和橋梁橫橋向的各墩墩底內力和承臺底內力，如表2和表3所示。

表2 E2地震作用下橋梁墩底內力

表3 E2地震作用下橋梁承臺底內力

由表2可知，在E2地震作用下，橋梁順橋向和橫橋向最大墩底剪力分別為5923.64kN和6 772.15kN；橋梁順橋向和橫橋向最大墩底彎矩分別為144 348.43 kN·m和180 435.44 kN·m，均小于橋梁順、橫橋向設計彎矩3.53×105kN·m和4.25×105kN·m。E2地震作用下，橋梁順橋向和橫橋向墩底彎矩減震率分別為59.1%和57.5%。

由表3可知，在E2地震作用下，橋梁順橋向和橫橋向承臺底最大剪力分別為8 127.39 kN和9 735.59 kN；橋梁順橋向和橫橋向承臺底最大彎矩分別為169 913.42 kN·m和207 201.78 kN·m，均小于橋梁順、橫橋向設計彎矩5.56×105kN·m和6.16×105kN·m。E2地震作用下，橋梁順橋向和橫橋向承臺底彎矩減震率分別為69.4%和66.4%。從墩底和承臺底內力可以看出，高阻尼支座很好地減小了橋梁的地震響應，起到了保護橋梁主體結構的作用。

3.2 高阻尼橡膠支座水平力和位移驗算

對高阻尼橡膠各支座進行水平力和位移結果校核驗算，地震作用下高阻尼支座最大響應如表4所示。

表4 地震作用下高阻尼橡膠支座最大響應包絡值

從表4可以看出，高阻尼橡膠支座承受最大水平力為1 390.06 kN，小于支座最大設計值1 404 kN；支座承受最大水平位移為139.41 mm，小于最大設計值612 mm，同時也滿足規范要求。

4 結論

確定了橋梁用高阻尼橡膠支座設計參數，分析表明參數符合橋梁設計要求；對設置了高阻尼橡膠支座的橋梁進行了地震動力響應分析，減隔震效果明顯，橋梁順橋向和橫橋向墩底彎矩減震率分別為59.1%和57.5%，橋梁順橋向和橫橋向承臺底彎矩減震率分別為69.4%和66.4%，很好地減小了橋梁的地震響應。