基于高阻尼橡胶支座的混凝土连续梁桥减隔震性能 基于高阻尼橡胶支座的混凝土连续梁桥减隔震性能
邵长江1,2，房 麟1,2，钱永久1,2
(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 抗震工程技术四川省重点实验室，四川 成都 610031)
摘要：将一种新型的高阻尼橡胶减隔震支座应用在连续梁桥上，以桥墩及桩基抗弯能力和支座位移等性能指标为研究对象，基于数值模型，着重分析非规则混凝土连续梁桥纵桥向的减隔震性能。为使全桥结构的地震需求规则化、均匀化，根据数值分析结果，优化了非规则连续梁桥的减隔震支座设计参数和布置方案，采用连梁装置和纵向限位挡块解决隔震产生的大位移，并对桩基础的设计方案进行了探讨。连续梁桥的减隔震设计兼顾了抗震性能和经济性的总体需求。计算模型考虑了场地土体刚度、支座非线性以及限位挡块的碰撞等，分析结果表明高阻尼橡胶支座具有较好的减隔震性能。
关键词：桥梁工程；连续梁桥；数值模拟；高阻尼橡胶支座；限位挡块；优化设计
0 引言
采用一般抗震措施(如延性抗震设计)的结构需要足够的强度、变形能力与耗能能力，且结构的峰值加速度往往高于地震动输入的加速度。而隔震结构，通过上部结构与下部结构解耦后，结构的振动周期显著增加、滞回耗能能力大大增强，使结构的地震响应大大降低[1-2]。因而减隔震措施能够显著改善结构的抗震性能，被广泛应用于强震区的桥梁工程中，是桥梁抗震设计中的重要减灾措施和研究课题[3-4]。的芦山地震中，芦山县人民医院门诊综合楼的减隔震效果非常显著[5]。减隔震支座较高的阻尼值，在地震中可以有效地吸收地震能量、降低地震响应[6-10]，隔震装置既可有效降低墩底弯矩剪力等动力响应又不增加梁体位移和支座变形，起到良好的隔震耗能效果[11]。高阻尼橡胶支座利用高阻尼橡胶材料和钢板等构件通过硫化而成，既可保持叠层橡胶支座所具有的良好力学特性，同时具有较高的阻尼值，在地震中可以有效地吸收地震能量、降低地震响应[11-12]。支座通过水平方向大位移剪切变形和滞回耗能实现隔震功能，但其耐久性、耐火性能等问题，尚需进一步的试验研究[12]。
相对于技术较为成熟、应用面广的铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座的优势在于其绿色环保。随着高阻尼橡胶支座产品性能的稳步提高，该种新型支座正日益为工程界所接受。本文以一座拟建滨海地区的桥梁为研究对象，分析该桥梁采用高阻尼橡胶减隔震支座及纵向限位挡块后的受力性能，以桥墩和桩基抗弯需求与能力、支座位移需求与能力为研究对象，比较各种减隔震设计方案的抗震性能，最终给出最优抗震设计方案。
1 桥梁概况
某大桥引桥上部结构为3×30 m(1联)+4×30 m(8联)的35跨9联预应力混凝土连续梁(如图1所示)，分南北两幅桥，引桥全长1 050 m，由左至右桥墩编号依次为P1,P2,…,P35。P1～P11号墩之间的主梁采用5片预制小箱梁，P11～P35号墩之间采用6片预制小箱梁(如图2所示)。在P1～P11号墩盖梁左侧顶部安装5个支座，P11号墩盖梁右侧至P35号墩盖梁顶部左侧安装6个支座。桥面铺装为厚度10 cm的C50混凝土，外加13 cm厚的沥青混凝土铺装层。桥墩为三立柱排架式，最高墩高为15.6 m，基础为桩柱式。
图1 桥梁结构有限元模型
Fig.1 FEM model of bridge structure
图2 桥梁结构模型局部
Fig.2 Part of FEM model of bridge structure
桥址场地为Ⅲ类场地，场区大部区域原为出海口滨海地貌，路线范围全部为填海造地区域，覆盖层自上而下依次为：(1)回填粗砂、细砂，局部回填料为回填土、淤泥及填石、混凝土层；(2)淤泥、淤泥质土，局部发育有淤泥质土夹(混)砂、松散-中密砂层；(3)可塑-硬塑性土层、稍密-密实砂层、局部发育软塑淤泥质土-黏性土；(4)中密-密实砂层、可塑-硬塑黏性土层。下伏基岩主要为燕山期侵入岩层。根据《中国地震动参数区划图》及桥梁地勘资料，桥址处于Ⅷ度设防区，根据桥址地震安评报告，桥址2000 a重现期(E2水准)的地震峰值加速度为0.333 7g。
2 结构建模方法
根据引桥的结构特点，利用通用有限元程序MIDAS的空间梁单元，建立引桥空间有限元动力计算模型，考虑了桩土相互作用以及支座的非线性特性。引桥全部为预制小箱梁，考虑到施工安装及费用问题，选用高阻尼支座、滑板支座进行减隔震设计，而未采用摩擦摆隔震支座。
桥梁结构的墩梁均采用三维空间梁单元模拟，通过竖向刚臂连接支座，刚臂上端与主梁节点刚性主从，刚臂下端为支座顶端节点。支座底部到盖梁顶的支座垫石通过另外的刚臂来模拟。单元严格建立在主梁重心(质心)位置，确保主梁质量位置的准确，并考虑了桥面纵坡。在能力验算中则采用纤维模型法计算桥墩及桩基构件的弯矩曲率曲线图以及M-N图，并根据《城市桥梁抗震设计规范》的要求，取等效屈服弯矩作为验算指标进行验算[13]。
在计算软件MIDAS中可以用一种双折线弹塑性单元模拟高阻尼橡胶支座，只是具体的物理模拟参数取值会有所不同。对于非线性计算，不再使用等效刚度等效阻尼等数值，而采用具体的非线性恢复力数值模型进行模拟，这种模型可以考虑高阻尼橡胶支座的非线性耗能特性。
纵向限位挡块采用碰撞单元模拟，碰撞刚度根据挡块弯曲破坏模式的假定计算得到，其中缓冲块则采用高阻尼单元单独模拟。桩土相互作用按照m法的计算公式计算得每层土对桩的约束弹簧刚度值，弹簧刚度值计算方法与静力法相同，土的抗力取值根据场地情况，取m动=2.5m静。土弹簧的计算方法是根据地震危险性评估报告提供的地质资料，对桥梁所处场地土层沿顺桥向分段，然后对土层进行厚度划分，使得划分后的各层土厚度趋于均匀。P10～P35水中桥墩考虑了5.0 m的一般冲刷深度对桩基埋置深度的影响。
3 抗震设计方案比较
桥梁抗震设防的基本原则是既要保证大桥的抗震安全性，又不致使造价增加太多，因此需要在安全与经济之间进行合理平衡，这也是确定工程抗震设防标准的依据。根据《城市桥梁抗震设计规范》的相关规定，所研究的大桥属乙类桥梁，结构抗震性能分析采用两水平设防、两阶段设计的设计思想。乙类桥梁采用减隔震设计时的抗震设防目标是，结构在重现期约2 000 a的地震作用即E2地震作用下，桥墩和基础不受损伤，基本在弹性工作范围。采用减隔震设计的桥梁，在E2地震作用下，桥梁的耗能部位位于桥梁上、下部连接构件(支座、耗能装置)，上部结构、桥墩和基础不受损伤,基本在弹性范围，因此没有必要进行E1地震下的计算。
对于桥梁的减隔震设计，最重要的因素是可靠的减隔震装置及合理的设计，使其在结构抗震中充分发挥作用，即桥梁结构的大部分耗能、塑性变形集中于这些装置，同时允许这些装置在E2地震作用下发生大的塑性变形和存在一定的残余变形，而结构其他构件的响应基本为弹性。正如《城市桥梁抗震设计规范》中提到，在桥梁中引入减隔震技术的目的就是利用减隔震装置在满足正常使用功能要求的前提下，延长结构周期，消耗地震能量，降低结构响应[13]。
3.1 设计方案说明
根据该桥的设计图纸，首先进行了基于延性的抗震设计，但由于桥址处地震烈度较高，固定墩无法满足抗震需求。方案一采用高阻尼橡胶支座减隔震方案。在抗震方案比选时，首先采用板式橡胶支座方案，板式橡胶支座可以有效地将上部结构的地震效应分配至各墩，但是板式橡胶支座容许位移有限，且仅能依靠摩擦力约束主梁的水平位移，计算表明支座变形大于容许变形，存在落梁的风险。
相对于设计方案一，方案二的桥墩截面没有变化，只是将P9～P34号墩的桩基截面由原来的直径1.8 m圆桩变为现在直径2.1 m加钢护筒的截面，钢套筒厚度为18 mm。为解决方案一中过渡墩支座位移过大以及梁间相对位移过大可能引起的落梁和撞梁问题，在本方案中加入连梁装置与缓冲垫层(如图3所示)。在有限元软件MIDAS Civil中用间隙单元模拟连梁装置，间隙单元的刚度按照PC钢筋的轴向抗拉刚度进行计算，初始间隙选为梁间间隙12 cm。
图3 连梁装置示意
Fig.3 Schematic diagram of unseating prevention device
方案三在之前抗震措施和选择用支座的基础上做了如下调整：由于P9～P31号之间的过渡墩墩底内力较大导致配筋率过高，因此将P9～P31号墩之间的过渡墩上的高阻尼橡胶支座改为四氟滑板支座。为了防止支座更改后的支座位移过大，在P9～P31号之间的过渡墩上的滑板支座旁边处添加支座挡块，使得支座位移在到达一定数值后受到挡块的限制，减小支座位移响应量。为了减小主梁对挡块的撞击力，在挡块上部加厚度为5 cm的橡胶垫层，以增加撞击时的阻尼，通过耗能减小冲击力，限位挡块的设计如图4所示。
图4 过渡墩处限位挡块设计
Fig.4 Design of restraining block on transfer pier
3.2 抗震能力及需求
根据排架式桥墩受力性能的特点，可以判断桥墩和桩基的抗震能力都是由纵向地震控制，为此只需计算纵向地震作用下的受力及配筋率即可。抗震设计方案的必选也仅限于纵向地震作用下的能力需求分析，在此仅列出有代表性的3个设计方案在纵向罕遇地震下桥墩、桩基的能力需求比和支座位移的比较情况。
由表1可见，由于桥面坡度的变化、河槽内冲刷深度的不同及连续梁桥的墩高差异，导致桥梁结构的非规则性，使得相同截面的桥墩地震弯矩需求差异较大，体现了非规则的受力特性。为此需要通过调整减隔震装置的设计参数，或通过增加限位措施，使得结构各部分的地震需求和抗震性能趋于规则化、均匀化，从而大大简化桥墩和基础的抗震设计。另外，单从桥墩的能力需求分析尚无法判断各设计方案的优劣，还要综合分析桩基的地震需求和抗震能力。
表1 纵向地震荷载作用下桥墩抗震需求和能力
Tab.1 Seismic demand and capacity of piers under longitudinal earthquake load
设计方案截面位置组合轴力/kN弯矩需求/(kN·m)弯矩能力/(kN·m)配筋率/%方案一P8墩底-4216.585944.3671251.00P23墩底-3478.696339.1378170.80P31墩底-3581.117258.6978890.80P34墩底-4588.508283.0285730.80方案二P8墩底-3765.818090.9480841.20P23墩底-3169.0511489.03116301.30P31墩底-3529.4713084.63130551.50P34墩底-4557.7112937.41137001.50方案三P8墩底-4159.066584.5669031.00P23墩底-3081.929759.42104341.30P31墩底-2890.269127.06103121.30P34墩底-4191.3610560.03111051.30
根据表2的计算结果，不难发现方案一所需截面配筋率最高，而此桥群桩基础的工程量远大于桥墩，因此抗震设计时，控制总体造价的是基础设计方案，应着重研究基础的抗震性能。为了进一步优化桥墩，尤其是桩基的抗震性能，对减隔震支座、纵向限位挡块及连梁装置等进行研究，针对有代表性的3个设计方案，通过调整支座参数最终得到工程造价最低(桩基配筋率最低)的方案三。
表3中过渡墩处的位移需求也表明，方案三的支座位移控制效果也是最好的。方案三使得结构的地震弯矩需求、配筋率最低，而且过渡墩的支座位移量最小，并且上述各项指标均满足设计要求，为此推荐方案三作为桥梁结构的最终抗震设计方案。但是需要指出的是，方案三的计算结果表明，由于桥梁结构的非规则性，桥墩高度变化较大以及墩身较高的联内，过渡墩的位移也会较大，这些位置(如P7,P31,P35)处应该设置大位移支座。
表2 纵向地震荷载作用下最不利单桩抗震需求和能力
Tab.2 Seismic demand and capacity of most dangerous single pile under longitudinal earthquake load
设计方案截面位置组合轴力/kN弯矩需求/(kN·m)弯矩能力/(kN·m)配筋率/%方案一P8墩底-4733.3211295.74133851.85P23墩底-4775.9818564.19193202.00P31墩底-4875.4818010.15193802.00P34墩底-5803.3818244.56199052.00方案二P8墩底-4294.9315705.22186152.50P23墩底-4889.7244597.02584331.30P31墩底-5039.6342514.26580051.30P34墩底-6156.8629600.7629781.30方案三P8墩底-4687.8912288.78130801.80P23墩底-5327.7332600.91321430.70P31墩底-5127.4828863.65319660.70P34墩底-113.638984.65272480.70
表3 纵向地震下过渡墩支座的地震位移(单位：m)
Tab.3 Seismic displacement of bearings on transfer piers under longitudinal earthquake(unit:m)
支座位置方案一方案二方案三纵向横向纵向横向纵向横向P7左侧0.3210.2850.2100.2270.1990.198P7右侧0.4200.2760.3400.2040.2400.156P23左侧0.2950.3000.2240.2200.1530.241P23右侧0.3080.2900.2440.2050.1410.239P31左侧0.2870.2930.2230.2050.2790.219P31右侧0.2300.2850.1770.2190.1250.178P35左侧0.5030.2830.3850.1950.2600.197
根据非线性时程计算的位移结果可以看出，相对于横向地震位移，纵向地震位移较大，最大达到了50.3 cm，尤其是在相邻两联墩高变化范围较大的过渡墩处(如P7,P31,P35)。在这些过渡墩处，两边的支座位移相差较大，因此造成梁间相对位移也过大。在纵向地震下过渡墩处容易发生落梁、撞梁等地震危害，需要采取进一步的措施。
4 结论
根据3个设计方案的数值分析结果，综合考虑设计、施工中的各种因素，在突出结构性能和经济投入相平衡的原则下，作者得到以下结论和建议：
E2地震下连续梁桥采用高阻尼橡胶支座减隔震方案，中间墩及过渡墩墩柱及桩基最不利截面的纵、横向地震效应与恒载内力的最不利组合值均小于相应截面的抗弯能力，满足规范规定的性能目标。
各种支座方案的地震位移需求分析表明，采用减隔震支座方案后，由于要兼顾过渡墩的抗震性能，过渡墩支座相对中间墩刚度小很多，使得该处梁体位移超过支座位移能力，需要附加抗震措施，改善上部结构的地震位移需求。
过渡墩采用纵向挡块和连梁装置的设计方案分析表明，限位挡块以及附加耗能橡胶垫的防落梁装置能够有效降低上部结构的位移需求，同时不会大幅增加桥墩等部位的内力需求，因而是行之有效的限位措施。过渡墩在横向地震作用下的支座位移需求也较大，计算分析时应该计入横向挡块的限位作用。
文中关于连续梁桥的减隔震性能分析说明高阻尼橡胶支座的布置方案、参数选择、挡块设计以及桩基础的设计参数是合理的。高阻尼橡胶支座是一种新型减隔震支座，具有抗震性能优良、减隔震效果好等特点，随着高阻尼橡胶耐久性的不断提高，这种支座正逐步应用在大量桥梁工程的抗震实践中。
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Seismic Isolation Performance of Concrete Continuous Girder Bridge Based on High Damping Rubber Bearings
SHAO Chang-jiang1,2, FANG Lin1,2,QIAN Yong-jiu1,2
(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China; 2. Sichuan Provincial Key Laboratory of Seismic Engineering and Technology, Chengdu Sichuan 610031, China)
Abstract：A kind of innovative high damping rubber isolation bearing is applied on a continuous girder bridge. Taking the flexuary capacity of piers and piles as well as displacements of bearings as the research objects, the seismic isolation performance along the longitudinal direction of an irregular concrete continuous girder bridge is emphasized based on numerical model. To regularize and unify the seismic demands of the whole bridge system, various design parameters and layout of the isolators of the bridge are optimized according to the FEM result. The unseating device and restraining block are adopted to reduce the large seismic displacement of girder due to isolation design, and the design scheme of the pile foundation is also discussed. The balance between seismic performance and economy is considered in the final isolation seismic design. The effects of field soil stiffness, nonlinearity of beargings and collision of restraining blocks are considered in the calculation model. The analysis result shows that high-damped rubber bearing is a kind of highly effective isolation device.
Key words：bridge engineering; continuous girder bridge; numerical simulation; high damping rubber bearing; restraining block; optimum design
doi：10.3969/j.issn.1002-0268..10.010
收稿日期：-9-26
基金项目：国家自然科学基金项目(51178395)；抗震工程技术四川省重点实验室课题项目(SKZ0006)
作者简介：邵长江(1970-)，男，山东临沂人，博士,副教授.(shao_chj@)
中图分类号：U442.5+5
文献标识码：A
文章编号：1002-0268()10-0057-05
