不同地震激勵下連續梁橋高阻尼橡膠支座減震性能研究

馬鴻川

（煙臺橡研材料科技有限公司 山東 龍口 265700）

0 引言

地震災害具有突發性強、影響范圍較大、持續時間較短等特點。基于地理位置層面分析，我國橫跨太平洋地震帶，屬于全球范圍內地震災害發生較為頻繁的國家之一。我國曾發生過多次大型地震災害，災害的發生不僅對地區人民的生命安全造成了威脅，也對區域經濟發展造成了較大的負面干預[1-3]。橋梁工程是市場經濟建設中支撐公路和鐵路運輸的重要基礎，一旦發生地震，將對橋梁工程造成非常嚴重的后果。同時，橋梁工程具有修復難度大、周期長、造價高等特點。因此，必須加大對橋梁結構抗震性能的分析投入，掌握在不同條件與工況下橋梁的承載能力，以此種方式為后續的橋梁建設工程的規范化施工給予全面的技術指導[2,4-5]。為提高橋梁的綜合性能，施工方會在設計與施工中，采用設置減震支座的方式，進行整體結構的設計。常用的減震支座包括橡膠支座、高阻尼支座、鉛芯制作等。天然橡膠墊于1889年首次安裝在澳大利亞墨爾本的一座鐵路橋的上層建筑和橋墩之間。它們大約1.3厘米厚，旨在吸收沖擊而不是適應水平運動。1954年，法國工程師Eugene Freyssinet獲得了一項專利，他的想法是用薄鋼板加固橡膠板。通過在橡膠層之間施加鋼板，實現了垂直剛度和水平柔韌性的結合。1956年，采用硫化程序將薄鋼板粘合到橡膠片上。從那時起，多層橡膠軸承已廣泛用于各種應用，包括保護建筑物免受地震影響。由于橡膠板提供非常低的阻尼，因此有時會在軸承中插入一個鉛塞以增加能量耗散。這些軸承稱為鉛橡膠軸承。增加能量耗散的另一種方法是通過使用填料（即高阻尼橡膠）在橡膠板中提供足夠的阻尼。橡膠支座是連續梁橋中應用最廣泛的一種支座，它可以起到隔震和減震的作用。然而，由于其自身的幾何不規則性，彎曲連續梁橋往往在復雜的受力情況下工作，如主梁明顯的彎扭耦合，使得支座往往成為地震中最脆弱的構件。

相比常規的減震支座，本文研究的高阻尼橡膠支座在施工中具有污染程度低、穩定性能良好等特點，可以在主體結構中有效地吸收地震能量，從而降低并在一定程度上削弱由于地震造成的橋梁整體振動。目前，已有相關科研單位投入到了此方面工作的研究中，并從不同角度進行了高阻尼橡膠支座的綜合性能分析。本文研究將結合市場相關工作單位的現有研究成果，開展不同地震激勵下連續梁橋高阻尼橡膠支座減震性能的研究，以此種方式，為優化連續梁結構提供更加權威的數據作為支撐。

1 工程概況

本文此次研究的連續梁工程跨徑為45 m×4 m，其中連續梁2號墩位處設置了固定的支架結構，其他位置均為滑動支架結構。此橋梁的標準寬度為33.8 m，整體結構為上、下分離式結構，橋墩結構位置的高度在8.3～38.5 m之間，基礎結構為矩形灌注樁，樁體結構的直徑為1.75 m。位于承臺結構下部2.5～8.9 m范圍內，分布大量的黏土，依次向下對應的土層中分布石灰巖與強風化巖。根據現場勘查，此連續梁所在位置的橫向地震加速度值為1.755 g，屬于強震區。高阻尼橡膠支座在低剪切應變下表現出高剛度和阻尼，從而最大限度地減少在服務和風荷載下的響應，以及在設計位移水平上具有足夠阻尼能力的低剪切剛度。在更高的位移幅度下，它們表現出剛度和阻尼的增加，可用于限制大地震下的位移。為降低地震災害對此橋梁結構穩定性與安全性的影響，設置高阻尼橡膠支座，輔助連續梁減震。其中高阻尼橡膠支座的化學構成如下表1所示。

表1 高阻尼橡膠支座化學材料構成

通過上述內容，完成對此連續橋梁綜合性能與化學構成的分析。

在此基礎上，進行高阻尼橡膠支座試件的制備。在此過程中，使用四丙氟橡膠生膠在50 ℃以下的開煉機中進行熔煉，依次加入潤滑劑、補強填料、硫化劑、薄通、三角包，24 h后進行硫化試驗。在170 ℃的條件下，用平板硫化機進行一段時間的硫化，在此過程中使用的主要化學原料如下表2所示。

表2 化學原料

設計試驗構件的基本配方，相關內容如下表3所示。

表3 試驗構件的基本配方

按照上述配方與比例，進行試驗構件的制備。

2 連續梁橋高阻尼橡膠支座減震性能分析

2.1 輸入不同地震動

為實現對不同地震激勵下連續梁橋高阻尼橡膠支座減震性能分析，掌握在不同地震激勵條件下支座的綜合性能，需要在測試前，使用有限元建模軟件，在Midas Civil界面中建立連續梁橋高阻尼橡膠支座結構有限元模型[6-7]。在不考慮連續橋梁樁體結構與土體結構相互作用力的條件下，根據橡膠材料的彈性優勢，建立單元結構模型，此時默認連續梁結構的墩底呈現固結狀態。在此基礎上，采用一般連接模擬的方式進行連續梁橋高阻尼橡膠支座連接。明確連續梁橋高阻尼橡膠支座的物理參數[8-10]。如表4所示。

表4 連續梁橋高阻尼橡膠支座的物理參數

在上述內容的基礎上，使用75 a超越概率3.5%的人工地震加速度曲線作為地震動的輸入參數。設計地震動錄入方式，如下圖1所示。

圖1 地震動輸入方式

從上述圖1中可以看出，所選的輸入地震動最大值為0.6 gm/s2。根據測試中的實際要求，可選擇不同的地震加速度作為地震激勵變量條件。按照上述方式，完成對不同地震動的輸入設計。

2.2 不同地震激勵下支座截面內力計算

參照橡膠的分子動力學原理，對連續梁橋高阻尼橡膠支座在地震作用下動力方程進行設計。如下計算公式所示。

式（1）中：A表示連續梁橋高阻尼橡膠支座在地震作用下動力方程；f表示分子動力函數；r表示截面尺寸；M表示配筋量；l表示橋墩底部長度；i表示支座支撐點數量。假定其他參數不變的條件下，計算不同地震激勵下支座截面內力。計算公式如下。

式（2）中：F表示支座截面內力；k表示相對位移；y表示剛度模型；a表示修正雙線性函數；z表示樁土效應。根據不同地震激勵下支座截面內力，分析連續梁橋高阻尼橡膠支座的抗震性能。

3 結果與結論

根據連續梁橋高阻尼橡膠支座結構中橡膠材料的化學回填性能，進行支座減震性能的綜合分析。在此過程中，設定地震加速度參數為0.2 gm/s2、0.4 gm/s2、0.6 gm/s2。將地震加速度作為變量的同時，根據橡膠的不同化學回彈系數（取值在0～1之間，取值越趨近于1，證明其回彈性能越好），進行連續梁橋高阻尼橡膠支座減震性能的分析。

3.1 彎矩分析

將連續梁橋高阻尼橡膠支座結構在不同地震波下的彎矩值作為檢驗抗震能力的關鍵指標，對其彎矩值可通過下述公式進行計算。計算公式如下。

式（3）中：Q表示彎矩；θ表示轉角；E表示轉動系數；I表示剛度；L表示結構的有效計算長度。統計測試結果如下表5所示。

表5 連續梁橋高阻尼橡膠支座彎矩分析

從上述表5所示的結果可以看出，在地震加速度參數相同的條件下，隨著橡膠的化學回彈系數的增加，橡膠支座彎矩呈現增加趨勢，說明連續梁橋高阻尼橡膠支座的抗震性能與橡膠的化學回彈系數兩者呈現正比例關系。

在橡膠的化學回彈系數相同的條件下，隨著地震加速度參數的增加，橡膠支座彎矩呈現增加趨勢，說明連續梁橋高阻尼橡膠支座的抗震性能與地震加速度參數呈現正比例關系。

綜合上述表中內容，當地震加速度參數為0.6 gm/s2、橡膠的化學回彈系數在0.6～1.0范圍內時，橡膠支座彎矩達到最大值，此時，連續梁高阻尼橡膠支座的抗震性能達到最佳。

3.2 支座變形位移分析

按照上述條件，設計橡膠材料中不同硫化氫材料的添加，進行支座變形量分析測試。添加量如表6所示。

表6 橡膠材料中不同硫化氫材料的添加

對不同硫化氫添加量下的支座變形位移進行測試，測試結果如下圖2所示。

圖2 支座變形

上述圖2中，c、b、a分別代表20%、30%、40%硫化氫添加量下，連續梁橋高阻尼橡膠支座的位移量。根據圖2中三條曲線的變化情況可以看出，硫化氫添加量為40%時，支座變形量達到最大，但在完成地震波的錄入后，支座發生了回彈，位移量轉變為0。通過上述分析可以證明，連續梁橋高阻尼橡膠支座在受到外界地震波的影響時，會發生彈性位移，彈性位移會隨著地震加速度的增加而呈現對應的增加趨勢。與此同時，硫化氫的添加量會在一定程度上對支座的彈性性能造成影響。在合理范圍內，隨著硫化氫含量的增加，連續梁橋高阻尼橡膠支座結構中橡膠材料的彈性越大。

4 結語

綜上所述，在不同地震激勵條件下，連續梁橋高阻尼橡膠支座的減震性能存在較大差異。為探究具體減震性能的變化情況，本文開展了不同地震激勵下連續梁橋高阻尼橡膠支座減震性能的研究。在研究過程中發現，當地震激勵條件改變后，由于橡膠材料的化學組成成分受到了地震激勵的影響，使得支座結構的內力發生了改變，同時支座在不均勻內力的情況下，也會出現明顯的變形和位移。因此，在開展連續梁橋建設施工時，應當充分遵循支座結構在不同地震激勵條件下的特殊性能，對建設方案進行合理調整，從而確保施工和后續梁橋使用階段能夠更好地發揮高阻尼橡膠材料的化學性能，使支座具有良好的減震性，保障連續梁橋的質量，也為路過的車輛和行人生命財產安全提供更有力的保障條件。