高烈度強震區典型公路簡支梁合理減隔震體系分析

甘露

［上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市200125］

0 引言

近年來我國西南山區地震頻繁，橋梁作為公路交通網絡工程的主要組成部分，在地震災害中很容易發生損傷破壞，2008年汶川地震中四川省就有6 140多座橋梁受損，2010年玉樹地震中青海省就有172座橋梁損毀，2013年蘆山地震中四川有440座橋梁損毀，這些震害表明強震作用對橋梁破壞嚴重，特別是對大量的中、小跨徑簡支體系橋梁的破壞更是十分普遍。

為防止類似5.12汶川地震、4.20蘆山地震、8.03魯甸地震災害中大量簡支梁橋梁發生特別嚴重的破壞，影響震后救災工作，防止次生災害的發生，急需深入研究適用于高烈度強震區高速公路橋梁合理有效且經濟適用的減隔震體系，確保這些最常用的簡支梁橋具有優良的抗震性能，對于預防和減輕西南山區橋梁地震災害有重要的實際價值，也具有迫切的客觀工程需要[1]。

本文以西南山區某8度地震區典型公路簡支梁為研究背景，選取4×40 m跨度簡支梁橋為研究對象，建立了全橋空間有限元模型，開展了簡支梁橋的合理減隔震體系研究；對比分析了多種減隔震措施下橋梁在8度和9度地震作用下的動力響應，對橋梁的抗震性能進行了綜合評估，比選出最優的減隔震體系方案。

1 橋梁減隔震措施及本構模型

1.1 簡支梁橋減隔震方案

減震控制技術的應用，不僅可以提高橋梁的抗震性能，還可以節省造價，從某種意義上來說，這是解決實際結構抗震問題最為有效的途徑之一。

為了研究9度地震區高速公路簡支梁橋合理的減隔震方案，并且考慮經濟性、可行性、穩定性等因素，擬開展三種減隔震方案作為9度地震區典型公路簡支梁合理減隔震措施比選方案：普通球型支座（方案一，圖1（a））、高阻尼橡膠支座（方案二，圖1（b））、雙曲面減隔震支座（方案三，圖1（c））。方案一屬于傳統橋梁“硬抗型”抗震措施，下文將方案二、三與方案一進行對比，研究適用于9度地震區的減隔震方案。

圖1 三種支座結構示意圖

1.2 球形鋼支座本構模型

目前球型鋼支座在公路和鐵路橋梁結構中應用較為廣泛，其承載力強、轉動靈活、轉角大、耐久性好等優點。它既能夠將上部結構載荷均勻的傳遞給下部結構，又可以利用自身摩擦副實現墩梁的相對平動和轉動。依據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）[2]，固定球型鋼支座采用線彈性剛度模擬，活動球型鋼支座采用雙線性立項彈塑性彈簧單元模擬，其本構關系如圖2所示（Fcr表示屈服力，Ko表示彈性剛度，Kp表示屈服后剛度）。

圖2 活動球形鋼支座本構模型

1.3 高阻尼橡膠支座本構模型

高阻尼橡膠支座是目前公路橋梁應用較廣泛的減震支座，其是高阻尼橡膠與鋼板硫化而成，具有較強的阻尼特性，在地震作用下，可較好的耗散地震能量，顯著提高橋梁抗震性能。高阻尼橡膠支座即HDR支座，根據《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》（JT/T 842—2012）和《HDR系列高阻尼隔震橡膠支座》設計指南，采用等效雙線性恢復力模型模擬高阻尼橡膠支座的本構關系如圖3所示。

圖3 HDR支座本構模型

1.4 雙曲面球型減隔震支座

雙曲面球型減隔震支座（簡稱FPB支座）減震耗能主要是通過上、下兩個平面摩擦副發生相對滑動實現的，在地震作用時，支座銷釘將抵抗地震力使支座不發生變形，當地震力大于支座銷釘剪斷力時，銷釘剪斷，支座開始發生滑移，兩個摩擦副相對擺動滑移，實現地震位移變形和耗散地震能量[3]。

雙曲面摩擦擺支座的本構模型采用摩擦擺支座非線性本構模型進行模擬，可考慮摩擦系數變化對支座摩擦力的影響，其本構關系如圖4所示。

圖4 雙曲面摩擦擺支座的本構模型

2 工程實例

2.1 工程概況及有限元模型

以西南8度地震區某高速公路典型4×40 m簡支梁橋為研究對象，上部結構采用40 m后張預應力混凝土預制T梁，橋梁共分兩幅，單幅橋面寬度12.5 m，下部結構橋墩采用等截面矩形空心墩，截面外輪廓尺寸為6.5 m×3 m，壁厚0.6 m，縱筋為HRB400，截面配筋率1.42%，橋墩混凝土為C40，場地特征周期為0.45 s，1#～5#橋墩墩高分別為46.2 m、46.3 m、46.2 m、46.6 m、46.5 m。樁基深度40 m，樁徑為2 m；場地類型為II類，普通球型支座、雙球面減隔震支座、高阻尼橡膠支座力學參數分別見表1、表2、表3。

表1 普通球型鋼支座參數表

表2 雙曲面球型減隔震支座參數表

表3 高阻尼橡膠支座參數表

采用商業Midas軟件建立全橋模型，主梁和樁基采用梁單元進行模擬，考慮結構自重和二期鋪裝的質量，橋墩采用纖維單元模擬，橋墩混凝土材料采用Mander本構模型，鋼筋采用雙線性滯回本構模型[4]；各種支座的本構模型按照第2節對應模型進行模擬。采用Midas軟件中的鉤和間隙模擬梁與梁之間的碰撞效應，采用彈性剛度模擬樁土作用。全橋有限元模型如圖5所示。

圖5 全橋有限元模型示意圖

2.2 地震動輸入

根據算例橋所處場地類型，依據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG T2231-01—2020）給出的設計反應譜參數曲線，采用數值模擬方法生產8度0.3 g和9度0.4 g相應的E1和E2人工地震波各7條，共計28條，圖6給出了部分人工地震波時程曲線以及其對應的反應譜與規范譜對比圖。

圖6 部分人工合成地震波及人工波反應譜與規范譜對比圖

2.3 各種減隔震方案下橋梁非線性動力時程響應對比分析

為研究不同減隔震方案對典型高速公路橋梁各關鍵部位（墩底內力和支座位移）的減震效果，以方案一即傳統硬抗模式為計算結果為對比對象，計算其它兩種減隔震方案的橋墩墩底內力、支座位移等減震率，分析各種減隔震方案在高烈度地震區的適用性和可行性。

2.4 各方案橋墩內力對比分析

本文研究4種地震強度下（8度E1，8度E2、9度E1、9度E2）不同減隔震對橋梁結構地震響應的影響，由于篇幅有限無法將所有計算結果全部給出，這里僅以2#～4#墩為分析對象，圖7給出了順橋向地震作用下各種減隔震方案對應的4種地震水準下的橋墩墩底彎矩計算結果柱狀圖。

如圖7所示，采用雙曲面減隔震支座方案相比其它兩種方案其墩底彎矩和剪力均最小，普通球型鋼支座方案墩底彎矩和剪力最大，但在8度E1和9度E1地震下，三種方案墩底彎矩和剪力相差不大，而在8度E2和9度E2作用下，雙曲面減隔震支座與高阻尼橡膠支座兩種方案下墩底彎矩和剪力顯著低于普通球型支座方案，這兩種支座的減震效果顯著，其在E2地震作用下，雙曲面減隔震支座與高阻尼橡膠支座的墩底內力計算結果相差較小。此外由7條地震波最大最小內力分析表明，對于三種方案在7條E2地震作用下墩底彎矩地震響應相差較小，而墩底剪力波動較大。

圖7 順橋向地震作用下各種減隔震方案對應墩底平均內力響應分析柱狀圖

綜上所述，方案二和方案三在強震作用下可以有效降低墩底內力，減震效果明顯，兩種方案效果差異不大。

2.5 各方案橋墩內力減震率對比分析

為了進一步分析減隔震方案的減震效果，圖8給出了順橋向地震作用下各種減隔震方案墩底內力平均減震率柱狀圖。如圖8（a）～（c）所示。

圖8 順橋向地震作用下各種減隔震方案墩底內力平均減震率柱狀圖

（1）FPB支座方案相對普通支座設計方案，2#、3#、4#墩身8度E1和9度E1的彎矩平均減震率約為54.2%～55.7%；HDR支座方案相對普通支座設計方案，2#、3#、4#墩身8度E1的彎矩平均減震率約為30.7%～32.3%，2#、3#、4#墩身9度E1的彎矩平均減震率約為23.2%～24.3%；FPB支座減震效果優于HDR支座。

（2）雙曲面減隔震支座方案相對普通支座設計方案，2#、3#、4#墩身8度E2和9度E2的彎矩平均減震率約為63.7%～66.2%；高阻尼橡膠支座方案相對普通支座設計方案，2#、3#、4#墩身8度E2的彎矩平均減震率約為59.1%～60.3%，2#、3#、4#墩身9度E2的彎矩平均減震率約為52.2%～53.5%。雙曲面減隔震支座方案與高阻尼橡膠支座方案減震效果均較好。E2水準下高阻尼橡膠支座減震效果顯著提升，與雙曲面減隔震支座的減震效果相接近。

分析圖8（d）～（f）可知，橋墩剪力減震率計算結果與橋墩彎矩減震率計算結果及變化規律類似，這里不再詳述。

綜上所述，對于高烈度地震區典型公路簡支梁橋梁，雙曲面減隔震支座對橋墩和基礎受力減震效果最優，其次是HDR支座，最差為普通球型鋼支座。

2.6 各方案支座地震位移對比分析

方案一采用了“傳統硬抗”的抗震模式，只要活動支座非限位方向滿足滑移位移要求即可，因此不進行非隔震支座的位移驗算。而HDR支座和雙曲面減隔震支座則需要研究其支座在地震作用下是否滿足容許位移。

由于支座數量較多，全部給出計算結果篇幅較大，故本文在各簡支梁兩端支點處僅選取最中間支座作為分析對象，支座編號規則：1#橋墩支座編號為1#支座，延橋軸線方向依次編號，共計8個支座，如圖5所示。圖9分別給出了E1和E2地震作用下方案二和方案三對應的支座地震位移對比結果。

圖9 強震作用下支座最大位移分析柱狀圖

（1）在E1水準地震作用下，采用HDR支座和FPB支座時，各支座順橋向計算位移小于支座本身的容許地震位移，支座滿足設計要求。FPB支座的地震位移均大于HDR支座的地震位移，說明HDR耗散地震能量的效果優于FPB支座。

（2）當采用FPB支座時，E2地震下各支座順橋向計算位移遠大于支座本身的容許地震位移150 mm，各支座均不滿足設計要求，支座容易發生地震破壞，存在落梁風險。建議橋臺和墩頂處增設防落梁裝置，防止主梁發生落梁，對于防落梁裝置的形式可考慮采用拉索式防落梁裝置、金屬減震卡榫等措施。

（3）當采用HDR支座時，E2地震下各支座順橋向計算位移小于HDR支座的容許地震位移，且有較大富裕，支座滿足設計要求。

綜合比較橋墩、支座在地震作用下的地震響應結果，建議在高烈度強震區公路簡支梁采用高阻尼橡膠支座方案做為典型公路簡支梁橋的減隔震體系，可以適當增加防落梁措施，保證橋梁不發生落梁震害。

3 結 論

（1）在8度或9度強震作用下，采用雙曲面減隔震支座方案時，能夠降低墩底內力，減少橋墩地震損傷，在8度和9度對應E1地震下墩底彎矩減震率可達54.2%～55.7%，在8度和9度對應E2地震下墩底彎矩減震率可達63.7%～66.2%，減震效果顯著，但此時雙曲面減隔震支座的支座地震位移遠超自身容許位移，易出現落梁震害，建議采取限位措施與雙曲面減隔震支座配合使用，限制上部結構發生較嚴重的相對變形。

（2）在8度或9度強震作用下，采用高阻尼橡膠支座方案時，均可有效的降低墩底內力，8度E2地震下彎矩減震率達到59.1%～60.3%，9度E2地震下彎矩減震率達到52.2%～53.5%；并且在E2地震作用下，高阻尼橡膠支座地震位移小于支座容許位移，且有較大富裕量，滿足設計要求。

（3）綜合考慮各種減隔震措施的經濟性、適用性、可靠性，建議采用高阻尼橡膠支座為9度強震區典型公路40 m跨簡支梁橋的減隔震體系。