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(chǎn)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(chǎn)生的震動，具有減震性能[1]。1976年新西蘭Bill Robinson博士發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)[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(zhèn)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(chǎn)和使用過程中鉛芯可能會對環(huán)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(tài)環(huán)境污染的性能。

本文根據(jù)K18+783—K19+443標段高墩區(qū)非通航孔標準聯(lián)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(shù)，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(shù)及橋梁支座布置

1.1 高阻尼橡膠支座設計參數(shù)

高阻尼橡膠支座設計參數(shù)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(yōu)化設計參數(shù)

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(lián)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(qū)非通航孔標準聯(lián)連續(xù)鋼箱梁橋，跨度為6×110 m，全長660 m。橋址區(qū)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(shù)為235 cm/s2。橋梁公路等級為Ⅰ級，行車道數(shù)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(xiàn)行規(guī)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(qū)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(nèi)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(nèi)力和承臺底內(nèi)力，如表2和表3所示。

表2 E2地震作用下橋梁墩底內(nèi)力

表3 E2地震作用下橋梁承臺底內(nèi)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(nèi)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(guī)范要求。

4 結論

確定了橋梁用高阻尼橡膠支座設計參數(shù)，分析表明參數(shù)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。