鋼筋混凝土橋梁縱向隔震設(shè)計與安裝

熊山銘，　周桂梅（.江西省贛南公路勘察設(shè)計院，江西 贛州34000；.福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

鋼筋混凝土橋梁縱向隔震設(shè)計與安裝

熊山銘1，周桂梅2
（1.江西省贛南公路勘察設(shè)計院，江西 贛州341000；2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

通過對歐洲、美國和日本三國隔震設(shè)計方法的總結(jié)與歸納，選用兩階段水準反應(yīng)譜分析方法，并采用非線性動力時程分析法進行結(jié)果校核，對實例公路橋梁進行了隔震設(shè)計與校核.計算結(jié)果表明：在低水準地震作用下，橋墩截面按最小配筋率設(shè)計即可；在高水準地震作用下，橋墩已進入屈服階段，屈服后采用非線性動力時程分析法校核，橋梁隔震能力滿足設(shè)計要求，橋臺、橋墩處的變形能力、結(jié)構(gòu)周期、隔震能力顯著提高，是地震頻發(fā)地區(qū)橋梁設(shè)計的重要保障措施.

橋梁工程；隔震；反應(yīng)譜法；非線性動力時程分析法；變形；橡膠隔震支座

0　引言

在地震烈度較高的地區(qū)，橋梁設(shè)計人員需對橋梁進行專門的抗震設(shè)計，以確保公路橋梁在強震中能夠正常使用.常規(guī)的橋梁抗震設(shè)計，主要是依靠橋梁自身性能滿足抗震設(shè)計要求，如自身結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的強度和延性，要求構(gòu)件具有較強的抵抗荷載的能力；設(shè)計原則是按設(shè)防水準和預(yù)期性能目標進行彈性體系設(shè)計，并對可能出現(xiàn)塑性鉸的位置進行專門的延性設(shè)計.橋梁隔震設(shè)計是通過隔震裝置改變結(jié)構(gòu)在受到地震動力響應(yīng)特性，進而減少地震輸入，以外加裝置的耗能機制隔震為主，結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件抗震為輔.此類方法的基本原理是將由傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)上的地震產(chǎn)生的地震力和能量減小至最低值，并延長結(jié)構(gòu)周期、增加能量損耗來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震［1-4］.

我國 《公路橋梁抗震設(shè)計細則》（JTG/T B02-01—2008）對橋梁減隔震設(shè)計有詳細規(guī)定，并對減隔震裝置、分析模型和分析方法均有要求，一般情況下，宜采用非線性動力時程分析方法［5］.

本文總結(jié)歸納了各國的隔震設(shè)計分析方法，通過對某橋進行計算與分析，得知，在進行了隔震設(shè)計后，運用反應(yīng)譜法時，在兩種水準地震作用下橋梁位移容許值均有提高，并用時程分析法對結(jié)果進行校核，結(jié)果表明，采用非線性動力時程分析法設(shè)計時，能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能.

1　各國隔震設(shè)計分析方法

1.1歐洲Euroode8—Part2規(guī)范

針對橋梁隔震的動力響應(yīng)分析，歐洲Euroode8—Part2規(guī)范主要有反應(yīng)譜分析法和非線性動力時程分析法，兩種方法的適用條件不一，均有相關(guān)規(guī)定［6-8］.

一般來說，反應(yīng)譜分析法包括兩種分析方法，即單自由度反應(yīng)譜分析和多自由度反應(yīng)譜分析，適用范圍略有不同，相同的適用條件如下：

1）場地屬于A類或B類；

2）橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計位移（d）時的有效剛度至少為0.2 d時有效剛度的50%；

3）橋梁結(jié)構(gòu)的有效阻尼比不超過10%；

4）橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與加載率、豎向和水平向荷載無關(guān)；

5）橋梁結(jié)構(gòu)從0.5 d變到d時，其恢復(fù)力不低于其上部結(jié)構(gòu)重量的0.025倍；

6）橋墩結(jié)構(gòu)的非彈性變形可忽略.

在運用反應(yīng)譜法分析時，對應(yīng)振型周期T≥0.8T1（T1為隔震振型周期）時，根據(jù)隔震設(shè)計位移對應(yīng)的等效阻尼比ξ1對5%阻尼比的設(shè)計譜進行修正；當(dāng)對應(yīng)振型周期T＞0.8T1時，仍采用阻尼比為5%的設(shè)計譜.阻尼比對設(shè)計譜的修正系數(shù)計算公式如下：

反應(yīng)譜分析的地震力組合采用某一方向的地震力與另一方向30%地震力進行組合，以用于設(shè)計.

對于不滿足上述條件的情況，即采用非線性動力時程分析方法，水平地面運動應(yīng)至少選擇三組時程記錄，對不同的時程記錄進行分析，要求時程記錄的持時應(yīng)與震級和設(shè)計地震震源特性相協(xié)調(diào)，取所有時程分析結(jié)果中的最大反應(yīng)值進行設(shè)計.

1.2美國AASHTO規(guī)范

AASHTO隔震設(shè)計準則是根據(jù)橋梁的性能分類給出不同的分析方法，其中包括等效靜力法、單自由度反應(yīng)譜法、多自由度反應(yīng)譜法和非線性動力時程分析方法.前三種方法具有相同的適用條件，即：等效粘滯阻尼比的大小來反應(yīng)隔震裝置的耗能的多少；等效線性剛度的大小來評定隔震裝置的剛度大小.這都要求隔震系統(tǒng)具有自復(fù)機制，對于不具備自復(fù)機制的隔震體系和等效阻尼比大于30%的情況，必須采用非線性動力時程分析方法進行分析［7-9］.

1.3日本《道路橋梁示方書·同解說》

在設(shè)計階段對橋型簡單的橋梁采用靜力框架分析法，即對應(yīng)于兩個設(shè)計水準地震，采用全橋模型進行分析，將全橋模型離散成集中質(zhì)量桿系模型，隔震支座用等效線性彈簧和等效粘滯阻尼模型來代替；同時要求在橋梁橋型復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性也復(fù)雜的橋梁，該規(guī)定要求必須采用反應(yīng)譜法或非線性動力時程分析法進行橋梁抗震分析［7］.

1.4各國規(guī)范對比分析

1）上述三國規(guī)范所采用的分析方法基本相同，即反應(yīng)譜法和非線性動力時程分析方法，反應(yīng)譜法包括單自由度分析法和多自由度分析法.不同的是各國對不同方法的適用條件定義存在較大差異；

2）采用等效靜力分析法、單自由度反應(yīng)譜法、多自由度反應(yīng)譜法分析橋梁抗震性能時，首先是要得到隔震裝置對應(yīng)設(shè)計位移的等效阻尼比和等效剛度，而采用非線性動力時程分析方法時，在分析初始階段隔震裝置的設(shè)計位移、等效剛度和等效阻尼比都是未知的，需在整個分析過程中進行迭代計算；

3）當(dāng)采用線彈性反應(yīng)分析方法時，等效線性模型參數(shù)值，即等效剛度、等效阻尼比的確定是一個難點，選擇不同的模型，會得到不一樣的值，且這些參數(shù)對分析結(jié)果影響較大，各國都提出了設(shè)計譜修正系數(shù)值.

通過上述可知，對于橋梁隔震設(shè)計，非線性動力時程分析法是一種常規(guī)的分析方法，但是也有一定的局限性.非線形動力時程分析法的計算量比較大，在分析時要求分析人員具有豐富的分析經(jīng)驗，建立符合實際且合理的分析模型，并計算得到有效的分析計算結(jié)果，對于經(jīng)驗不足的技術(shù)人員來說，當(dāng)建立了不適當(dāng)?shù)哪Ｐ突蜻x用了不合適參數(shù)，有可能會得到荒謬的結(jié)果，并給設(shè)計人員造成錯覺，影響非線性動力時程分析結(jié)果的準確性.

2　隔震橋梁設(shè)計計算

2.1工程概況

國道上一座三跨連續(xù)箱式梁橋，三孔跨徑均為25m，主梁采用單箱三室截面，C40混凝土，下部構(gòu)造橋臺為擴大基礎(chǔ)、橋墩為雙柱式橋墩，C30混凝土，橋墩直徑1.2m，樁基礎(chǔ)直徑1.4m，1#和2#橋墩高7.7 m和8.6 m，0#和3#橋臺均高8.7 m，全橋安裝鉛芯橡膠隔震支座，橋型圖見圖1.

通常情況下，假定兩階段設(shè)計水準反應(yīng)譜，較低水準地震作用下采用的地面加速度峰值為0.2 g，較高水準地震作用下采用的地面加速度峰值為0.48 g，詳見圖2.一般要求，在較低水準地震作用下，除隔震裝置外，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震響應(yīng)應(yīng)為彈性，且以強度作為校核結(jié)構(gòu)性能的指標；在較高水準地震作用下，允許橋墩結(jié)構(gòu)發(fā)生非彈性變化，但橋梁整體結(jié)構(gòu)仍能保持正常使用功能，并要求校核指標值不超過初始延性值的1.5倍［10］.

2.2低水準地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

根據(jù)初步選定的鉛芯橡膠隔震支座，由彈性反應(yīng)譜分析方法計算各橋墩分擔(dān)的慣性力與支座變形，分析模型見圖3.

采用多自由度反應(yīng)譜分析方法分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，假定橋墩不許發(fā)生屈服，分析過程是一個迭代的過程，在分析中，僅第一周期（即隔震周期）對應(yīng)的反應(yīng)譜值考慮了阻尼比的折減，其它高階振型對應(yīng)的阻尼比均假定為5%，詳細計算結(jié)果見表1.根據(jù)表1中計算結(jié)果，結(jié)合正常使用條件，給出其中一個橋墩單柱的設(shè)計配筋，橋墩單柱對應(yīng)彎矩—曲率曲線、軸力—彎矩包絡(luò)圖見圖4、圖5.采用隔震設(shè)計后，橋墩所受地震力作用明顯減小，橋墩截面配筋只需滿足規(guī)范要求的縱筋最小配筋率即可.

圖1　橋型布置圖

圖2　兩個水準設(shè)計譜

圖3　橋梁簡化分析模型

表1　低水準地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果

圖4　橋墩單柱截面彎矩-曲率圖

圖5　橋墩單柱截面軸力-彎矩圖

2.3高水準地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

首先假定橋墩沒有屈服，按多自由度彈性反應(yīng)譜方法進行分析，表2給出在該水準地震作用下縱橋向結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值.從表2中分析結(jié)果可知，在該水準地震作用下，按彈性反應(yīng)譜分析得到橋墩單柱墩底彎矩為5894.5（kN·m），而單個墩柱的屈服彎矩為3595.6（kN·m），得知橋墩已進入屈服.故宜采用非線性動力時程分析方法進行分析，以同時考慮橋墩、支座的非線性特征.

2.4非線性動力時程分析校核

由前述分析可知橋墩已進入屈服，取與圖給出的設(shè)計譜相協(xié)調(diào)的人工合成加速度時程及與該類場地相匹配的實際地震記錄進行分析，分析模型仍取圖3.計算分析結(jié)果見圖6、圖7.表3給出了不同地震時程作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的對比.從分析結(jié)果可知，橋墩高水準地震作用下，即使受到輕微損傷，設(shè)計結(jié)果滿足預(yù)期的使用要求.

較高水準地震作用下隔震支座性能校核值見表4，從表中結(jié)果可知，設(shè)計的隔震支座性能滿足要求.比較全面的隔震支座校核尚應(yīng)包括其在使用條件下的性能校核，而且在實際工程應(yīng)用中，按照規(guī)范要求，還應(yīng)對實際使用的隔震支座進行嚴格的試驗檢查，校核其是否滿足設(shè)計要求的指標.

表2　高水準地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果

表3　在高水準地震作用下結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果

圖6　橋墩彎曲時程曲線

圖7　橋墩處支座與墩頂變形比較

表4　高水準地震作用下隔震支座性能校核

3　隔震裝置設(shè)計與安裝

根據(jù)隔震裝置的工作原理，隔震裝置的布置位置主要有兩種，一種是布置在橋墩頂部，另一種是布置在橋墩底部.通常情況下，工程技術(shù)人員將隔震裝置安裝在橋墩頂部，用于降低上部結(jié)構(gòu)的慣性力；橋梁上部構(gòu)型類似于一個倒置的鐘擺結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔脮r，橋梁結(jié)構(gòu)的慣性力主要集中在上部結(jié)構(gòu)中，此時通過在上部構(gòu)件與下部構(gòu)件之間安裝隔震裝置，可以有效的降低上部構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力，使得傳遞到下部構(gòu)件的能量降低，達到保護橋墩、基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)的目的.而對于橋墩墩高較高、質(zhì)量較大的橋梁，橋梁自身存在振動特性，且當(dāng)場地條件允許時，宜考慮在橋墩底部安裝隔震裝置，類似于建筑結(jié)構(gòu)中的隔震裝置，以求較大幅度的降低整個結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)［11-13］.

據(jù)統(tǒng)計資料顯示，國際上在墩底安裝隔震裝置的橋梁較少，數(shù)量屈指可數(shù)；而多數(shù)已安裝隔震裝置的橋梁，是由隔震裝置代替支座，安裝在橋墩頂部，該法較為經(jīng)濟可行.最常用的隔震裝置為橡膠隔震支座，包括鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠支座等橡膠阻尼裝置，這些裝置的原理都是通過降低橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，并給設(shè)計人員在如何分配水平地震力提供的空間.通過安裝在剛度較大的橋墩上的橡膠支座，降低了橋墩所承受的地震力，進而降低了橋墩的延性要求，提高了抗震能力［14-17］.可見，可以通過調(diào)整不同橋墩處的隔震裝置來合理調(diào)配下部構(gòu)件所需承擔(dān)的地震力，規(guī)避基礎(chǔ)地質(zhì)條件差或橋墩受力相對較弱情況下給橋梁帶來的風(fēng)險，改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提升整個體系的抗震能力.

橋梁進行了隔震設(shè)計后，應(yīng)確保連續(xù)橋梁具有良好的連續(xù)性，容許在不連續(xù)墩處產(chǎn)生一定量的位移；同時嚴格控制伸縮縫的施工質(zhì)量，避免伸縮縫被雜物阻塞，影響隔震減震效果.由于支座有使用年限，在設(shè)計時，應(yīng)考慮對隔震裝置進行定期維護和必要更換的要求.

4　結(jié)論

雖然各國的隔震設(shè)計方法存在差異，但是基本原理基本一致，修正系數(shù)取值根據(jù)不同的橋型和設(shè)計要求而變化，且對計算結(jié)果影響較大.本文所采用的分析方法為兩階段設(shè)計過程，通過對低水準與高水準兩種地震作用下的結(jié)構(gòu)進行分析，計算結(jié)果表明，采用了隔震技術(shù)后，在遇到高水準的地震作用時，延長了橋梁的結(jié)構(gòu)周期，增加了傳遞能量的能力，明顯降低了地震力作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的影響，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能.根據(jù)設(shè)計要求，在進行隔震橋梁施工時，應(yīng)依據(jù)設(shè)計采取必要的保障措施，確保橋梁使用安全.

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Design and installation of longitudinal vibration isolation of reinforced concrete bridge

XIONG Shanm ing1，ZHOU Guimei2
（1.Jiangxi Province Gannan Highway Survey and Designing Institute，Ganzhou 341000，China；2.Fujian Communications Planning and Design Institute，F(xiàn)uzhou 350004，China）

Through the summary of the isolation design methods in Europe，America and Japan，this study chooses two-stage standard response spectrum analysismethod，uses the nonlinear dynamic time history to check the results，and designs and checks the actual highway bridge isolation.The results show that:in the low level of seismic action，the pier cross-section can be designed according to theminimum reinforcement ratio；In the high level of seismic action，the pier has entered a stage of yield，and after yield，with the method of nonlinear dynamic time history analysis，the bridge isolation ability can be checked to meet the design requirements.The deformation ability of abutment and pier，the periodic of structure，and capacity for isolation are greatly enhanced.The proposedmethod is an important safeguard of seismically active area of bridge design. Key words:bridge engineering；isolation；response spectrum method；the nonlinear dynamic time history analysismethod；deformation；the rubber isolation bearing

U441.3

A

2095-3046（2015）05-0049-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.009

2015-04-27

教育部新世紀人才支持計劃項目（NCET-10-0250）

熊山銘（1987-），男，工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計與科研等方面的研究，E-mail:330723314@qq.com.