高阻尼橡胶隔震支座力学性能研究及其桥梁工程应用进展

郑杰，顾冉星，贾俊峰，张建勋，王召辉

（1.郑州市公路事业发展中心，河南郑州 450015；2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；3.郑州市交通规划勘察设计研究院河南省公路全预制装配式桥梁工程技术研究中心，河南郑州 450001）

0 引言

近年来减隔震技术得到了越来越多的重视和发展，国内外学者对隔震体系开展了诸多研究，例如滑动摩擦隔震体系、橡胶隔震体系和摩擦摆隔震体系［1］。桥梁的传统抗震措施大多采用加大截面及配筋来增强结构构件的强度，这种“以刚克刚”的方法会增大桥梁的地震力响应，且并不经济。而隔震是通过在梁体与墩、台连接处设置水平柔性支承和能量耗散装置，延长桥梁结构的周期、增加结构的阻尼以减小桥梁的地震响应。隔震系统的有效性在试验研究和理论分析中已经得到阐释与证明［2］，我国近些年发生的几次大震，如2008年汶川地震（M8.0）和2013年芦山地震（M7.0）验证了桥梁的抗震能力可以通过隔震技术得到有效的提高。目前在国内桥梁工程中应用最广泛、技术最成熟的隔震体系是橡胶隔震体系，其大致可以分为普通橡胶隔震支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座（Highdamping Rubber Bearing，HDRB）等。普通橡胶隔震支座因隔震能力有限，通常需要与阻尼器连接使用才能达到良好的隔震效果；铅芯隔震橡胶支座虽具有良好的隔震性能，但铅芯在低周疲劳荷载作用下会发生疲劳剪切破坏，从而导致阻尼和耗能能力的损失，降低支座的使用性能，此外铅也会对环境造成严重的污染，在一些工程应用中会有限制与不便；而高阻尼橡胶支座具有与铅芯橡胶支座近乎相同甚至更优异的耗能能力，且没有环境污染的问题，近些年来备受学者们的关注。

HDRB隔震技术于20世纪70年代引入，主要应用于结构的隔震，因为其高阻尼比和对环境无污染而得到广泛使用。HDRB的阻尼比大约为12%～15%，远高于板式橡胶支座，而阻尼比超过18%的HDRB称为超高阻尼橡胶支座（Super High-damping Rubber Bearing， SHDRB）［2］。HDRB的形状及内部构造与天然橡胶支座相同，但高阻尼橡胶材料的黏性大，自身可以吸收能量，与铅芯橡胶支座相比具有更大的屈服前刚度，对结构抗风更为有利，且在设计位移内具有较好的耗能能力和较低的剪切刚度，在大应变情况下，会出现刚度硬化现象，使其在大震下的位移限制在一定范围内。此外，HDRB不含有铅等有毒材料，对环保非常有利，适合应用在对环境有保护要求的地方，如国家保护动物生活的海洋、湖泊等［3］。

HDRB虽具有上述优点，但其力学性能复杂且受多种因素影响。为促进HDRB在国内桥梁工程领域的进一步发展，本文对高阻尼橡胶的特性和本构模型进行了总结与梳理，对HDRB基本力学性能、老化影响、隔震效果等做了归纳与分析，概述了目前HDRB不同类型的本构模型应用与研究现状，并指出了存在的主要问题，进一步总结了HDRB研究的不足和发展趋势。

1 高阻尼橡胶材料

HDRB 是由高阻尼橡胶（High-damping Rubber，HDR）和钢板硫化黏结而成，HDR作为HDRB的重要组成部分，其力学性能和本构关系对HDRB的影响是至关重要的。本文对国内外学者关于HDR材料的研究进行了梳理，对HDR材料的力学性能和本构关系进行了归纳与分析，为HDRB的进一步发展提供了参考。

1.1 力学性能

HDR在制造过程中，将天然橡胶与炭黑、增塑剂等物质一起硫化，使阻尼比达到10%～20%，可在结构抗震中提供较大的能量耗散能力并限制总位移。为了满足向结构基底传递更少的剪切力以及提供足够的恢复力，HDR的剪切模量通常在0.35～1.50MPa［4］。合格的HDR材料应具有优良的力学性能、高损耗因子值及有效阻尼宽温域。雷拓等［5］通过改变丁腈橡胶（NBR）与溴化丁基橡胶（BIIR）两种基体橡胶的配合比，发现随着BIIR含量的增加，可以有效地增大复合材料的有效温域，且通过用热空气老化实验方法证明其有良好的抗老化性能，为制备阻尼性能优良的高阻尼宽温域复合材料的配方设计提供理论依据。

HDR是一种黏弹性材料，本身具有的黏弹性对结构振动进行约束控制，吸收能量，减小地震作用力；同时又具有较大的延性，能在地震时延长结构自振周期，避开地震峰值荷载的影响。图1给出了黏弹性固体的典型速度相关响应的示意图，当黏弹性固体以无限慢的速率加载时，应力－应变曲线遵循E－E′路径，这种反应被称为平衡响应，得到的应力称为平衡应力；另一方面，在无限快加载的情况下，响应遵循I－I′路径，这种反应被称为瞬时响应，得到的应力称为过应力［6］。平衡响应和瞬时响应都是弹性状态，它们与黏性域相关联，黏性域的面积与材料的黏性程度直接相关。

图1 黏弹性固体的典型响应Fig.1 The typical response of viscoelastic solids

HDR的力学性能与加载历史、当前应变和应变速率有直接关系［7］。Youshida等［8］对HDR进行一系列材性试验发现：HDR具有弹性、塑性和黏性，基本特性与天然橡胶材料相似，如应力演化，滞回耗能特性主要由黏滞性和弹塑性组成。在0.01～1Hz的输入频率范围内，黏性对应力－应变关系的影响较小。袁涌等［9］对HDR进行多步松弛实验和循环剪切实验，结果表明：HDR在不同程度的应变下具有不同的特征，在小应变下具有很大的初始刚度，并且由于黏滞性而表现出很强的速度相关性，这也是HDR主要特性之一。魏威等［10］考虑了压力对HDR性能的影响，指出压应力和应变速度都会对HDR应力产生正相关影响，但随着加载速度的增大，压应力的影响逐渐衰减。HDR作为填充橡胶，在简单拉伸、压缩或剪切中受到固定应变循环加载，当拉伸达到最大后，重新加载所需的应力小于初始加载时的应力，这种现象为Mullins效应，主要发生在前几个周期，并在大约6～10个周期后变得可以忽略。Violaine等［11］通过准静态压缩和循环剪切实验，发现在循环剪切过程中的两个加载方向上均出现了Mullins效应，并且这种效应随着形状因子的增大而减小。

1.2 本构模型

在研究橡胶材料时，人们一般认为橡胶是各向同性的不可压缩材料，所以其本构模型要满足材料的客观特性、各向同性以及不可压缩性。弹性是橡胶材料的基本特性，也是建立更精确模型的基础，目前关于橡胶材料的弹性本构模型主要分为两类：一类是统计学模型或者分子链模型，基于橡胶内部分子链的结构和分布特性，通过热力学原理和统计学获得材料的宏观特性；第二类是唯象学模型，基于材料的宏观实验和连续介质力学的理论推导建立的模型［12］。近年来对大弹性变形中应变能密度的研究越来越多，国内外学者提出了诸多橡胶本构模型，如：Arruda-Boyce模型、Van der Waals模型、Mooney-Rivlin模型、减缩多项式模型、完全多项式模型、Neo-Hookean模型和Yeoh模型等［13］。本文对橡胶材料常用的超弹性本构模型进行了总结（表1）。

表1 橡胶常用超弹性本构模型Tab.1 Hyperelastic constitutive model for rubber

HDR具有和普通橡胶一样的基础力学性能，但其滞回耗能能力要优于普通橡胶，因此，HDR的超弹性本构模型是在普通橡胶的超弹性本构模型上发展的，并考虑HDR的应变历史相关性和在大变形下的应变硬化特性。21世纪初，Amin等［14－15］通过试验证实了Fletcher-Gent效应，即HDR在小应变下具有较大的初始刚度，这关系到隔震支座在小震和风振作用下的响应，因此准确模拟Fletcher-Gent效应具有重要意义，在此基础上提出了一种考虑Fletcher-Gent效应的超弹性模型，但未考虑HDR的非线性黏性。Yoshida等［8，16］提出了一种可以模拟HDR在大变形下的应变硬化特性和应变历史相关性以及复杂的力学性能的本构模型，并将该模型应用于HDRB的三维有限元分析中。其本构模型示意图如图2所示，主要分为两个部分：第一部分是具有应变相关各向同性硬化准则的弹塑性部分，可以模拟材料的耗能能力；第二部分是超弹性部分，可以来确定应力张量的计算方向和破坏准则。这种串并联的形式是基于Maxwell模型和Kelwin-voigt模型发展而来的。

图2 Yoshida等提出的模型Fig.2 Constitutive model proposed by Yoshida

因为HDR的特性十分复杂，所以在建立这些本构模型的时候不得不进行一些假设，这也使得到的本构模型都存在一些不足之处，例如上述几种模型均未体现HDR的速度相关性，且忽略了HDR 在大变形前后分子的变化［13］。袁涌等［9］从HDR的材料特性出发，在Yeoh模型的基础上提出了一个基于改进超弹性Zener模型的速度相关性本构模型（图3），并在模型中对超弹性弹簧建立新的应变能函数。

图3 改进的超弹性Zener模型Fig.3 Impr oved hyperelastic Zener model

Steinmann等［17］通过对橡胶模型的研究发现：目前具有代表性的橡胶模型还不能以单类实验数据准确预测材料特性。基于我国目前情况而言，具备等双轴拉伸和平面拉伸实验能力的实验室不多，因此提出一种拟合能力强、可靠度高、所需实验参数少的模型是迫切需要的，从而能更精确、更方便地描述材料的力学性能。

2 高阻尼橡胶支座

2.1 高阻尼橡胶支座的构造

HDRB是由多层钢板与多层橡胶在高温下硫化黏结而成，其中钢板对橡胶层有约束作用，提供竖向刚度，HDR提供水平柔度［18］，其构造图如图4所示。HDRB采用的是具有黏弹性的HDR，不仅使支座具有很好的弹性恢复力，还具有良好的耗能能力，相比较需要附加阻尼器提供阻尼的普通橡胶支座，HDRB可以节省空间，同时便于施工。

图4 高阻尼橡胶支座构造示意图Fig.4 Schematic diagram of high damping rubber bearing

2.2 高阻尼橡胶支座的力学性能

HDRB是连接主梁和桥墩的重要构件，掌握其力学性能和性能劣化规律对桥梁的设计与使用具有重大意义。HDRB的基本力学性能大都采用电液伺服加载系统进行试验，通过对HDRB在不同压力、剪应变、加载频率、温度等条件下进行试验，获得HDRB的等效刚度、等效阻尼比和耗能能力等力学性能。

研究表明，剪应变是影响HDRB水平力学性能最主要的因素［19］。庄学真等［20］通过对HDRB进行水平剪切应变试验发现，随着水平剪切应变增大，水平刚度和阻尼比趋于减小，证实了HDRB有较强的耗能能力和延性，可作为一种新型隔震支座在桥梁工程中应用。沈朝勇等［3］采用反复加载试验方法，系统地研究了剪应变、竖向压应力、温度、反复加载次数、加载频率等因素对HDRB水平剪切性能的影响，并给出了HDRB剪切应变相关性和温度相关性的水平力学性能经验拟合公式。Li等［21］通过极限剪切应变实验发现，剪切应变小于250%时支座不会发生破坏，当支座发生破坏时，有较大的残余变形，但整体保持稳定。Yuan等［22］通过对HDRB进行应变逆序测试实验，即先经历大应变再经历小应变，发现HDRB的动态行为会受到加载历史的显著影响，在相同剪切应变的情况下，逆序试验的等效水平刚度比正常试验低19%～25%，等效阻尼比比正常试验低8%～16%，HDRB最初经历高剪切应变变形后，随后的力学行为已完全改变。Park等［23］通过循环剪切试验，证实了HDRB与剪切应变的相关性，无论HDRB经历多大的剪切应变，其第一个周期与第二个周期之间都存在明显的差异，即Mullins效应。

加载频率对普通橡胶隔震支座和铅芯橡胶支座的力学性能影响不大，但却对HDRB有明显影响。陈彦江等［18］在现有研究的基础上又研究了加载频率对HDRB水平剪切性能的影响，试验结果表明随着加载频率的增大，等效刚度、等效阻尼比和耗能能力都会增大，即HDRB的力学性能与加载速度相关，但在试验中的加载频率最大为0.025Hz，与实际地震波速度还有一定差距，不能完全反映HDRB在实际地震作用下的力学响应。随着试验技术的发展，实时子结构试验可以输入真实的地震波，提高加载时的加载速度以充分反映HDRB的力学响应，此技术逐渐运用于减隔震桥梁的研究中，且值得关注的是，国内外对于HDRB水平性能的研究远多于对竖向性能的研究。

竖向压应力同样会对HDRB的水平性能产生一定的影响。Ryan等［24］和 Mori等［25］在HDRB的研究中发现了竖向压应力会对HDRB水平剪切性能产生极大的影响。Quaglini等［4］通过试验研究了HDRB在压剪共同作用下的力学性能，但其应变加载速率过慢，未考虑竖向压应力下HDRB的速度相关性的影响。王建强等［26］考虑了压应力对HDRB水平性能的影响，并且根据试验结果给出了支座剪切性能的压力相关性经验公式，供HDRB基础隔震结构设计人员参考和使用。Wei等［27］通过考虑HDRB压缩和剪切耦合作用下的力学行为得到压力对HDRB的平衡状态的影响可以忽略，对瞬时反应状态有较大的影响。

Tinard等［28］提出了一种无损伤评估方法，即用超声波法测量HDRB的体积模量，并证明了该方法在HDBR中的可行性。Burtscher等［29］研究了钢板倾角和不同形状系数对HDRB整体响应的影响，结果表明HDRB的竖向刚度随形状系数的增加而增加，且随钢板斜率的增大而减小。薛素铎等［1］通过对比建筑结构和桥梁结构中的HDRB，发现应用在桥梁中的HDRB的水平刚度较大，但耗能能力不如建筑结构中的HDRB，且圆形截面耗能大于方形截面，但形状对支座的等效刚度无明显影响。

为提高HDRB在工程中的抗震性能，一些学者对HDRB进行了改良。Hedayati Dezfuli等［30］利用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）的超弹性效应和自复位能力与HDRB相结合，以提高隔震支座的自复位能力和耗能能力，并通过对安装HDRB和SMA-HDRB的三跨连续桥进行动力时程分析，结果表明：在HDRB中安装SMA对耗能效果提升显著，但由于不能有效地减少残余变形所以对自复位能力影响不大，对桥墩位移和桥面峰值加速度的影响也可以忽略不计。超高阻尼橡胶支座（Super High-damping Rubber Bearing，SHDRB）为一种特殊高阻尼橡胶支座，等效阻尼比可达20%以上，由于其优秀的耗能能力而被诸多学者关注。沈朝勇等［2，31］针对SHDRB进行了频率和温度相关实验，研究发现竖向压力、加载频率、橡胶剪切模量和温度加载顺序对SHDRB水平性能的温度相关性影响较小，而应变影响较大，同时给出了SHDRB力学性能与温度相关性的拟合公式。

HDRB在使用寿命期间的劣化问题也同样重要，应在设计阶段考虑到长期劣化对支座力学性能的影响。Itoh等［32］通过对HDR块的加速热氧化试验，研究了HDRB内部的力学性能变化，通过分析试验数据，提出了一种考虑橡胶老化程度与橡胶层深度之间关系的HDRB劣化预测模型。Gu等［33］对HDRB进行了加速劣化试验，研究发现：氧气氧化是HDR材料老化的主要因素，并得到了考虑老化因素的HDRB长期性能变化规律。沈朝勇等［3］对HDRB进行14天的高温加速老化试验模拟在寿命期的老化情况，并对老化前后的力学性能进行对比，结果表明：支座老化程度对耗能相较刚度影响较大。Paramashanti等［34］通过加速热氧化试验研究发现HDRB的等效阻尼比因老化虽略有下降但影响有限，在评价HDRB隔震桥梁的长期抗震性能时，可以忽略老化对其等效阻尼比的影响。因为HDRB具有环保、性能优良的特点，所以在一些跨海桥梁中应用较多，这难免会受到海水侵蚀作用的影响，针对此问题，刘荣等［35］研究了老化－海蚀循环作用时间对HDRB剪切性能的影响，基于实验数据提出了一种HDRB与剪应变和老化－海蚀循环作用时间双变量下的变化规律。国内外针对HDRB的老化、劣化进行了一部分研究，但仍有诸多问题尚待解决，如HDRB在经历冻融循环后再进行海水海蚀的老化、劣化对力学性能的影响等。

综上所述，HDRB的水平力学性能受多方面因素的影响，如水平剪切应变、加载频率、竖向压应力和支座老化等。在跨断层HDRB隔震桥梁设计时，由于梁端位移普遍较大，应充分考虑HDRB的水平剪应变相关性；另一方面，HDRB区别于普通橡胶隔震支座和铅芯橡胶支座，受加载频率的影响较大，如在近断层（跨断层）HDRB隔震桥梁设计时应考虑长周期速度脉冲的影响。

2.3 高阻尼橡胶支座的本构模型

HDRB力学性能复杂，不能用简单的模型准确描述其力学行为，因此能准确表征其滞回特性的模型是目前主要研究内容之一。在规范JTT842-2012《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》中，采用双线性恢复力模型来简化模拟HDRB的本构关系（图5），K1和K2分别为初始水平刚度和屈服后水平刚度，Kh是水平等效刚度，Qy是水平屈服力。范立础等［36］基于振动台试验对规范中的双线性模型进行了修正，修正后的模型可以更好地反映在经历大应变后的小应变力学行为，因此推荐采用修正的双线性滞回模型描述HDRB力学行为，但该修正模型还需要进一步试验数据的补充。三线性模型通常用于支座在大变形情况下出现刚度退化或硬化的现象中（图6），与HDRB的实际力学特性更为相符，但目前对于三线性模型的研究相对较少，且相关参数更多，使用起来稍有不便，因此在实际工程中还是双线性模型使用较多。然而，HDRB的力学性能和各种橡胶添加剂、橡胶的加载速度、加载温度、硫化工艺、竖向压应力等相关，因此HDRB的应力－应变曲线具有复杂的非线性，目前国内外规范采用的双线性模型虽然简洁实用，但其屈服前刚度和屈服后刚度都是常数，无法准确描述HDRB的力学行为。

图5 双线性模型Fig.5 Bilinear model of HDRB

图6 三线性模型Fig.6 Trilinear model of HDRB

为了改进HDRB双线性模型的不足之处，国内外众多学者提出了新的HDRB力学模型，试图精确表述HDRB的应力－应变关系曲线。Hwang等［37］基于振动台试验结果，采用高斯－牛顿（Gauss-Newton）分析方法和开尔文（Kelvin）模型提出了两种HDRB分析模型，提出的模型与试验结果吻合较好，可以用于HDRB桥梁的时程分析中。Abe等［38］提出了一个描述支座在多轴加载下力学性能的模型（图7），该模型由一个弹塑性弹簧和两个非线性弹簧组成。Grant等［39］基于HDRB双向剪切试验结果的基础上，提出一种非应变速率相关的模型来模拟HDRB在水平双向剪切作用下的力学性能。Masaki等［40］通过对变形历史积分模型（DHI）的改进，使其更加简单，在大剪切应变范围内能更精确地描述HDRB单向加载和双向加载的力学性能，以及再现水平恢复力。Park等［23］通过提出一种将骨架曲线分为初始骨架曲线和正常骨架曲线的双线性双目标模型来模拟应变历史相关性。Markou等［41］通过结合多种物理模型，提出了一种简单的用于模拟HDRB受压剪切性能单向模型，该模型由三种并联的部件组成：非线性弹性弹簧、弹塑性元件和滞回阻尼器。非线性弹性弹簧是用来描述刚度硬化或软化；弹塑性单元考虑了能量耗散，允许屈服力随应变幅值的增加而增大；最后，采用滞回阻尼器来描述HDRB在加载和卸载阶段的动态响应的不同行为。Oliveto等［42］采用与Markou相似的方法，通过结合简单的二维公式和模型提出了一种新的双向模型。该模型使用一组参数便可以准确地描述支座在不同应变水平下的响应。

图7 Abe模型示意图Fig.7 Schematic diagram of Abe model

上述模型与传统双线性模型相比虽有了很大的进步，可以捕捉到更多的HDRB力学特性，如刚度硬化和应力－应变曲线复杂的非线性特征等，但HDR具有很强的速度相关性，这些模型的应变速度相关性依然没有得到解释，无法考虑加载速率对HDRB应力－应变曲线的影响。近年来，一些学者提出了HDRB的速度相关性模型，Jankowski等［43］提出了一个适用于大剪切变形下的HDRB 速度相关性模型。Sano 等［44］和Kikuchi等［45］分别基于Davidenkov-Martin定律和Ramberg-Osgood非线性本构模型提出了一种模型，能较好地描述HDRB应变速率相关的水平刚度和等效阻尼比变化。Bhuiyan等［46］通过对Maxwell模型进行扩展，增加了两个分支：一个是非线性弹性弹簧单元；另一个是弹塑性弹簧－滑块单元，开发了一个包含11个参数的HDRB速度相关性的流变模型（图8），上面两个分支分别表示弹塑性和非线性弹性响应，它们构成了速度无关的弹塑性行为，由多步松弛试验识别；其余部分是速度相关性行为，由简单松弛和循环剪切加载试验确定。该模型不仅能再现HDRB的应变速度相关性和非弹性行为，还能很好地描述加载和卸载时的非线性黏性。Khan 等［47］在Bhuiyan等［48］开发的HDRB流变模型的基础上通过标准最小二乘法确定了改进流变模型的参数，可以更好地描述HDRB在高剪切应变水平下的力学行为。Nguyen等［46］提出了一种改进的流变模型来模拟低温和室温下HDRB的速度相关性的循环剪切行为。目前大多数文献都是引入阻尼单元，依靠流变学理论来模拟HDRB的速度相关性，并没有从橡胶材料的物理特性出发，因此模型无法明确其物理意义。魏威等［10］基于HDR的压剪试验结果和超弹性Zener模型，建立了考虑竖向压力影响的HDRB速度相关性模型。

图8 流变模型示意图Fig.8 Schematic diagram of rheological model

由于HDRB技术的发展与成熟，越来越多的大跨度桥梁也开始使用HDRB，对于这样的结构，必须考虑强风荷载的影响。以往研究中规定的解析模型仅表示弹塑性行为，不能再现风载下HDRB的蠕变行为，为了描述类似蠕变的行为，如风荷载响应，有必要建立新的HDRB模型。Kato等［49］通过降低有限元分析本构定律的自由度并应用变形历史积分（DHI）理论而开发的考虑双向剪切荷载的数值模型，该模型的主要特征是可以重现强风荷载下的蠕变特性，并且作者进行了风荷载实验，验证了该模型的有效性，但未考虑轴向荷载的影响，应进一步考虑轴向荷载对橡胶材料的影响。

考虑到HDRB的速度相关性，规范中建议的双线性模型及Abe模型等可能在一些工程中并不适用，如在对近断层隔震桥梁设计时，HDRB的速度相关性明显，在设计时应给与考虑，此时建议采用Bhuiyan等提出的流变模型等考虑速度相关性模型，在有限元模拟中，HDR的本构可考虑采用Yoshida模型。国内外对HDRB的力学模型研究已取得一定进展，但仍有不足之处。例如在较低温度下测试的橡胶表现出较大的速度相关性、Mullins效应，而这些问题随温度的升高而逐渐减弱，所以将温度因素的影响和Mullins效应结合到可以考虑速度相关性和刚度硬化的力学模型中，以增强对支座力学性能行为的描述能力；另一方面，目前振动台试验多为缩尺实验，对HDRB缩尺相似度问题的认识度还不够完善［50］，所以可以针对HDRB桥梁的足尺隔震试验开展工作，作为对数值模拟结果的对比与校正，同时随着试验和数值模拟技术的发展，实时子结构拟动力试验也可以应用于减隔震桥梁的研究中。

3 高阻尼橡胶支座隔震桥梁

3.1 高阻尼橡胶支座桥梁抗震性能分析

随着对隔震体系研究的不断深入，HDRB技术逐渐成熟，越来越多的高烈度区的桥梁结构应用了HDRB，以满足结构抗震性能要求。Kim等［51］通过振动台试验，对安装HDRB的隔震桥梁和非隔震桥梁进行了对比，结果表明：HDRB相对降低了桥面加速度和基底剪力，但当自然周期较长且地基软弱或桥梁高度较高时，不建议进行隔震设计，且使用HDRB进行隔震设计时，需要充分考虑桥梁结构的周期和地震动条件。Zhang等［52］采用非线性时程法分析了应用不同支座的高架桥的抗震性能，发现HDRB在E2级地震作用下的抗震性能优于板式橡胶支座，且板式橡胶支座由于其位移和抗滑性能过大，不宜在地震烈度较高的地区使用。Tubaldi等［53］采用Opensees中HDRB模型分析了三跨连续梁桥的动力特性和地震响应，其结果揭示了支座竖向刚度的重要性及其对隔震桥梁的抗震性能的影响，并提出了一种简化的HDRB模型。李琛等［54］研究了双向耦合效应对HDRB桥梁地震响应的影响，研究表明：考虑支座的双向耦合作用使HDRB滞回曲线面积减小，且滞回曲线较紊乱；在近场地震作用下，可以忽略HDRB支座双向耦合效应对地震能量的影响。在使用有限元软件进行减隔震桥梁模拟时，应注意减隔震桥梁对边界比较敏感，需重视边界条件的模拟方法以及桩－土－基础作用的影响。

2005年Moroni等［55］对智利的一座安装了高阻尼橡胶支座的连续梁桥的抗震性能进行了研究，研究表明：采用高阻尼隔震橡胶支座能够有效地减小桥梁结构的地震响应。Saha等［56］将建于美国密苏里州的Bill Emer-son Memorial Bridge作为基准斜拉桥，通过对比分析不同的被动控制系统下的地震响应，研究发现尽管斜拉桥的柔度较大，但在基准桥中应用HDRB以后可以显著降低桥梁的地震响应，桥面位移减小最明显。Yang等［57］对青衣江特大桥青衣河梁段进行分析和研究，采用有限元软件Midas Civil分析在E1、E2地震作用下分别采用普通板式橡胶支座和HDRB时的地震响应，分析结果表明：HDRB有利于延长结构自振周期，提高结构的抗震性能，且低墩桥梁的隔震效果要优于高墩桥梁。横桥向的隔震效果要优于纵桥向，HDRB自振周期越小和刚度越大，抗震效果越好。马玉宏等［58］对近海地区的港珠澳隔震连续梁桥进行有限元分析，该段梁桥在主梁和桥墩之间并列布置了4个HDRB，研究表明：随着服役年限的增加，HDRB的滞回环面积和剪切位移逐渐减小，且支座劣化会导致墩顶位移的增加。

3.2 高阻尼橡胶支座在桥梁工程中的应用

目前，减隔震技术虽然已在世界各国中广泛应用，但采用HDRB且经受地震考验的隔震桥梁相对较少，本文统计了国内外的部分HDRB在隔震桥梁工程中的应用（表2），并对经典工程案例进行了介绍。

表2 采用HDRB的隔震桥梁Tab.2 Application of HDRB in isolated bridge

1996年，Mass Ave Interchange桥首次使用HDRB作为桥梁结构的隔震系统，在美国开创了桥梁隔震中HDRB的应用先例［59］。日本栃木县294号国家高速公路上的Yama-age桥是日本第一座采用HDRB的隔震桥梁，为6跨预应力混凝土双室箱梁，全场244.8m，每个桥墩上安装了2个HDRB，为了防止在纵向的过大位移，在两个隔震支座之间安装一个容差为±10mm的销钉类横向侧边挡块，并仅沿纵桥向进行隔震设计。该桥于1992年12月开通，经历了1994年8.1级的日本 Hokkaido-toho-oki地震，距离震中1000km［60］，根据所测加速度，隔震支座并未进入非线性状态，桥面板纵向峰值加速度减小到墩顶的1／3，但是在横向（限位方向）增加了30%［61］，并经历了 1995年 Kobe地震且表现良好。Chaudhary等［62］基于Yama-age桥发现侧挡块的摩擦力对上部结构的刚度和阻尼有较大影响，当振幅较小时，在设计阶段应考虑这种影响，除此之外还与激励振幅相关。随后日本在1994年修建的穿越东京湾公路桥使用了LRB和HDRB组合的隔震系统［57］。Marga Marga桥是智利首个采用HDRB的隔震桥梁，并对其进行了连续地震监测［63］，该桥在建成后经历了几次地震动，但强度都不大，中间桥墩支座最大变形仅为横向2.8mm，纵向1.5mm，是剪切变形的1.2%和0.7%。

我国减隔震技术相较国外起步较晚，直到1999年我国才建成第一座采用橡胶隔震支座的桥梁，即位于南疆铁路线上的布谷孜桥。最近几年，国内采用HDRB隔震的新建桥梁也逐渐增多，青衣江特大桥（图9a）位于地震多发的四川省雅安市，该桥某梁段孔跨度为4m×30.95m，上部结构在横向由5根简支T梁组成，中间三个桥墩采用HDRB，其型号为HDR（Ⅱ）320×420×127-G0.8。珠海机场高速公路鸡啼门大桥位于我国强震区，当采用板式橡胶支座时在E2地震下上部结构会产生较大的位移，存在落梁的风险，当采用HDRB时，在E2地震作用下，结构仍处于弹性状态［64］。位于山西太原的青年路高架桥于2014年建成，采用南北两岸分离式预应力现浇连续箱梁结构，并在南岸第3联、北岸第3联和第4联布置HDRB，其他部位配合滑动型水平力分散型橡胶支座和减震球形支座布置共同发挥受力作用［65］。港珠澳大桥（图9b）作为世界最大的跨海大桥，其抗震性能和耐腐蚀性能均有较高的要求，其某近海地区的港珠澳隔震连续梁桥段在主梁和桥墩之间并列布置了4个HDRB。

图9 国内应用HDRB的隔震桥梁Fig.9 HDRB isolated bridges in China

2021年5月22日，青海玛多发生了7.4级地震，位于G0613西丽高速共玉路段上的野马滩大桥、黑河中桥、吾儿美岗大桥均受到了不同程度的损伤，这三座桥均采用上下行分离，桥台和过渡墩处采用四氟乙烯滑板支座，其余墩位则采用高阻尼橡胶支座。不同的是野马滩大桥震害严重，上下行线多跨均发生落梁，且落梁均为南侧落于地面，北侧支撑于桥墩，立面呈斜置状态；而距离其800m处的黑河中桥和10km的吾儿美岗大桥上下行线均未发生落梁，结构仅存在轻微的损伤，两桥的挡块均有开裂，吾儿美岗大桥支座在南北方向上存在一定的残余位移。根据省地震局现场工作队野外调查和烈度评定初步结果，地震烈度影响超过Ⅷ度，突破了原来的抗震设计参数，野马滩大桥距离发震断层非常近，属于极震区，是破坏最为严重的区域。

3.3 高阻尼橡胶支座的机遇与挑战

对于曲线梁桥，在车辆荷载、服役时间和地震荷载等耦合作用下可能导致部分支座发生偏压、脱空现象，这种现象导致HDRB的性能发生一定程度的劣化，而国内对于HDRB偏压和脱空病害下的力学性能研究还相对较少，是未来可以深入研究的方向之一。

目前，HDRB在水平地震力作用下的研究远多于竖向地震力作用下的研究，在近断层地震中，竖向地震力明显且不可忽略，因此HDRB在竖向地震作用下的力学性能应在设计时予以考虑；此外，近断层地震动还具有能量高、速度脉冲强、速度脉冲周期长等特点，使得地震输入能量在短时间内很难被耗散。HDRB具有明显的速度相关性，近断层地震动的速度脉冲对HDRB的影响要比其他类型的隔震支座更加明显，因此进行HDRB隔震桥梁设计时应注重构造细节的设计，注意设计位移和支座变形能力与间隙大小的合理匹配，同时要考虑到震后的可修复性，避免墩梁之间工作空间过小等因素造成维修、更换困难。在安装时，避免直接将HDRB“浮放”在盖梁或墩顶上。在强震作用下HDRB可能会产生较大的支座位移，从而导致HDRB产生不可恢复的残余变形，因此为了保证隔震层的安全性及有效性，在地震烈度较大的地方可以采用HDRB＋限位装置的构造，或与SMA阻尼器、惯容器等一起运用控制桥梁结构的地震响应。

4 结论与探讨

HDRB集合竖向承载力、水平恢复力、阻尼耗能三位一体且环保无污染等优点而被广泛应用。本文以HDRB为讨论对象，综合了国内外大量学者的研究成果，首先从材料层面介绍了高阻尼橡胶的力学性能和本构模型，并在此基础上阐述了HDRB的构造与力学性能并总结了其本构模型的研究现状与进展，最后介绍了HDRB在桥梁工程中的应用与特点。在文末对前文的内容进行梳理总结，并讨论当前研究的空缺和未来可开展的工作：

（1）高阻尼橡胶为组成HDRB的主要材料之一，具有黏弹性、超弹性和塑性等特点，其力学性能特点与加载历史、当前应力和加载速率都有直接关系，加之Fletcher-Gent效应、Mullins效应和大应变下刚度硬化特性等影响，使得HDR的应力－应变曲线十分复杂。国内外学者针对这些因素做了诸多研究，但目前的本构模型大多忽略了HDR大变形后内部的分子变化和应变速度相关性，除此之外本构模型的工程可应用性也需要考虑，若能将此部分进行完善，HDR的本构模型也会得到进一步发展。

（2）HDRB具有优秀的弹性恢复力和竖向刚度，还具有良好的耗能能力，且由于高阻尼橡胶的特性，有利于抵抗风荷载的同时也能控制梁体的位移。HDRB的力学性能会受到许多因素的影响，如压应力、温度、老化程度等，影响最为明显的为水平剪应变和加载频率，随着水平剪切应变增大，水平刚度和等效阻尼比趋于减小；随着加载频率的增大，水平刚度和等效阻尼比趋于增大。目前HDRB的选择依据尚不成熟，在选择合适的HDRB时应当考虑桥梁结构特点、场地工况、伸缩缝长度等。若能提出考虑上述的HDRB选取标准，则能极大提高HDRB的使用效果和寿命。

（3）目前HDRB的本构关系一般都采用规范中建议的双线性模型，其虽然不如三线性模型符合实际力学特性，但由于参数少、运用简单，是目前工程中主流应用的本构模型。目前国内外许多学者针对HDRB提出了考虑速度相关性、压应力相关性和不同应变下的本构模型，但仍有空缺，如可以将温度因素的影响和Mullins效应考虑到本构模型中，能增强对HDRB力学行为的描述能力。

（4）对于隔震桥梁，HDRB能够延长结构自振周期，有效提高结构抗震性能，低墩桥梁的隔震效果要优于高墩桥梁，横桥向的隔震效果要优于纵桥向。由于HDRB具有明显的速度相关性，近断层地震动的速度脉冲对HDRB的影响要比其他类型的隔震支座更加明显。曲线梁桥在地震作用下会产生弯扭耦合作用可能导致部分支座发生脱空现象，可以考虑支座脱空问题对HDRB力学性能的影响，此外竖向地震作用下HDRB的隔震效果研究较少，均可以作为接下来开展工作的方向。在高烈度地区，可以考虑将HDRB和惯容器结合使用以放大HDRB的耗能能力并控制位移。