减隔震支座在高烈度地区桥梁抗震设计中的应用（交通）
曹 鹏
（武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武汉 430023）
摘要传统抗震设计设防目标主要为保证强度和变形，高烈度地区的桥梁为达到E2地震下设
防标准，需增大截面提高配筋，而利用减隔震支座则能耗散地震能量、降低结构响应。文中对非隔震体系与减隔震体系的反应谱分析、时程分析下的响应进行对比，并考虑了边界非线性、弹塑性，结果表明：在相同条件下，设计合理的减隔震支座能显著提高抗震性能。
关键词 减隔震支座 时程分析 边界非线性 HDR
目前，我国山区公路高架桥设计基本都以多跨简支一连续梁为主，而该种多跨一联的连续梁基本都是在一联中的中间位置设置一个固定支座，限制一联梁的纵向位移，同时也不影响其纵向温度力的传递和释放。但此举会使全部地震惯性力都作用在一个固定墩上，导致固定墩的设计较其他墩强大很多，同时其下部的桩数增加，墩柱、桩基设计由抗震组合控制。
传统抗震技术路线是弹性抗震设计，用构件的强度作为衡量结构性能的指标，确保构件的强度满足抗震需求。减隔震设计其原理为隔离上下部结构地震作用，延长结构基本周期，增加阻尼，滞回耗能，分散水平力。但要求减隔震支座有可靠的连接，能满足较大的水平位移。
案例：某山区高速公路共布置有十联5×20 m先简支后连续预应力混凝土小箱梁桥，全长1100 m，采用双幅桥设计，单幅桥由4片预制小箱梁组成，地震动峰值加速度0. 30g，桥址处于8度地震区，B类桥梁，按9度设防。墩高10 m，桩柱式桥墩，墩柱直径1.3 m，柱接单排桩，按II类场地计算。地震动输入：根据《中国地震动参数区划图》(GB18306 - 2001)、《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)．本项目桥梁属于B类桥梁，地震动峰值加速度为0. 30g，地震基本烈度为80，反应谱特征周期0. 45s，场地系数1.0。
非隔震体系（硬抗）：3号墩设置固定盆式支座，其他桥墩设置DX/SX的盆式支座。普通板式支座：中间各墩设置GY2350×74普通板式橡胶支座，过渡墩设置滑动GYZF4支座。隔震体系：中间各墩设置HDR (I) - d370×177 – G1.0隔震橡胶支座，过渡墩设置LNR( H) - d270×109橡胶支座。
根据板式橡胶支座的试验结果，将板式橡胶支座的恢复力模型取为直线型，近似按最大的剪切应变和频率来确定支座的刚度。根据活动盆式支座的动力滞回曲线试验，将其恢复力模型取为类似于理想弹塑性材料模型。
1 反应谱分析
基于反应谱分析的E2地震作用下，其他条件不变，仅布置不同的支座后，减隔震支座体系、非隔震支座体系（盆式支座、板式橡胶支座）下结构的响应表现出一定的差异。
1.1 2种体系的一阶振型对比
规则桥梁的地震反应以一阶振型为主，上部结构对下部结构的地震作用，可简化通过第一阶振型计算。2种体系第一阶振型对比见图1，2。
结论：对比2种体系的一阶振型，盆式支座体系其纵向边界条件为1个固定支座十若干滑动支座；这种方式导致结构受力不均匀，设置固定支座的固定墩承受了较大的水平力和塑性变形，而采用HDR隔震支座后，避免了固定墩受力较大的状态，且极大地耗散了地震的水平作用。
1.2 E2地震作用下2种体系墩身截面内力对比
在进行桥梁抗震分析时，E2地震作用下，延性构件的有效截面抗弯刚度采用等效刚度
ECIEFF，其他构件的抗弯刚度仍采用毛截面计算。图3～图6列出了E2地震作用下2种支座
体系的墩身内力对比。
结论：采用HDR隔震支座后，墩柱内力显著改善，避免了固定墩受力较大的状态，各墩受力均匀，水平分散效果好。
2抗震验算
2.1墩底塑性区抗剪能力验算
墩柱塑性铰区域沿顺桥向、横桥向的斜截面抗
结论：E2地震下，非隔震状态和普通板式支座状态横桥向的塑性区域斜截面剪力设计值大于抗剪强度，墩柱在地震作用下会发生脆性剪切破坏，不满足墩柱延性设计要求；HDR隔震支座状态塑性区域斜截面剪力设计值均小于抗剪强度，满足墩柱延性设计要求。
2.2桥墩延性验算
墩顶顺桥向位移验算，验算结果见表2。
结论：E2地震下，HDR隔震支座和普通板式支座状态墩顶顺桥向位移小于墩柱顺桥向容许位移，满足墩柱延性设计要求；盆式支座状态固定墩顶顺桥向位移大于墩柱顺桥向容许位移，不满足墩柱延性设计要求。
2.3支座抗滑稳定性
验算结果见表3。
结论：E2地震下，盆式支座水平地震剪切力大于其允许水平力，不满足地震下抗滑验算要求，支座在地震下会发生剪断、破坏或失效；普通板式支座水平地震剪切力大于其允许水平力，不满足地震下抗滑验算要求，支座在地震下会发生剪断、破坏或失效；HDR隔震支座水平地震力小于容许水平力，支座满足抗滑稳定性要求。
抗震验算结果表明：采用了HDR隔震支座的减隔震结构能满足抗震需求，而采用板式橡胶支座、盆式支座在E2地震下不能满足抗震需求。
3时程分析
为验证减隔震体系桥梁设计方案的有效性，采用非线性动力时程分析法，输入类似场地的实录波，对采用HDR隔震支座体系结构的地震响应进行动力分析。
3.1动力分析模型质量模拟
动力分析模型质量的模拟方法采用集中质量矩阵法，假定单元的质量集中在节点上，在相同精度要求条件下，质量矩阵可用较低阶插值函数，还可以减少方程自由度。
3.2 动力分析模型边界条件模拟
程序中采用质量和刚度因子法。板式橡胶支座采用线性弹簧连接单元模拟，活动盆式支座采用摩擦摆隔震装置来模拟，对于铅心橡胶支座，根据其滞回曲线，可以采用双折线弹塑性模型模拟。建立桥梁抗震分析模型应考虑桩土的共同作用，桩土的共同作用可用等代土弹簧模拟。m动取m静的2倍。
3.3计算模型
箱梁、盖梁、桥墩、桩基均采用空间梁单元模拟，沿顺桥向、横桥向，双柱墩的端部区域为塑性铰区域。根据塑性铰所在截面的混凝土强度、截面尺寸、配置的纵筋和箍筋，混凝土材料根据混凝土强度等级采用mander模型的应力一应变关系曲线，计算截面的M-cp关系曲线、塑性铰长度，弹塑性铰的类型定义为纤维模型，可准确模拟受弯构件的力学特性，考虑截面内纤维的局部损伤状态。
3.4计算结果
HDR隔震支座体系的时程响应见图7～8。结论：与静力方法的反应谱分析结果相比，考虑了边界、材料的非线性时程分析结果表明，下部结构进入弹塑性后，构件刚度退化，内力响应变化不大，而位移响应变化较大。时程分析的结果更趋近实际情况。
4结论
(1)对比非隔震体系、减隔震体系2种体系的一阶振型，可以看出采用HDR隔震支座后，避免了固定墩受力较大的状态，且极大地耗散了地震的水平作用。
(2)采用HDR隔震支座后，墩柱内力显著改善，避免了固定墩受力较大的状态，各墩受力均匀，水平分散效果好。
(3)墩底塑性区抗剪能力验算、墩顶顺桥向位移验算、支座抗滑稳定性均表明HDR能满足抗震需求，而板式橡胶支座、盆式支座在E2地震下可能发生破坏。综上所述，设计合理、可靠的减隔震支座可以提高结构抗震性能。
(4)时程分析考虑了减隔震体系的边界非线性、材料弹塑性，其结果较反应谱分析更趋近实际情况，是反应谱分析方法的有效验证。
