減隔震構(gòu)件在城市高架橋梁中的應(yīng)用

趙巍

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司海南海口　570312）

減隔震構(gòu)件在城市高架橋梁中的應(yīng)用

趙巍

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司海南?？?70312）

減隔震構(gòu)件因其良好的力學(xué)性能、抗震效果以及高阻尼、底剛度、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在橋梁抗震措施中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為各種橋梁抗震設(shè)計(jì)方法中最為經(jīng)濟(jì)有效的一種。本文以?？谑锌焖俾肪W(wǎng)骨干工程海秀快速路為設(shè)計(jì)依托，從設(shè)計(jì)角度闡述減隔震構(gòu)件在高烈度地區(qū)城市高架橋梁中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

橋梁設(shè)計(jì)；地震；減隔震支座

1　前言

近年來(lái)，我國(guó)突發(fā)幾次特大地震，造成了大量房屋、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)置損毀及人員傷亡，震后也引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。2011年，住建部頒布了《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，交通部也相繼頒布了《公路工程抗震規(guī)范》及《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》。相較老規(guī)范，新規(guī)范引入了橋梁延性設(shè)計(jì)和能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)，加入橋梁減隔震設(shè)計(jì)的抗震理念和設(shè)計(jì)方法，有效的提高了橋梁的抗震性能。

2　減隔震構(gòu)件

減隔震構(gòu)件一般是以降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，減小地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的損害為主要設(shè)計(jì)原則，通過(guò)相應(yīng)構(gòu)件來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自震周期，增加阻尼，使用耗能裝置抑制結(jié)構(gòu)的位移，從而削減地震力對(duì)上部結(jié)構(gòu)的能量輸入，達(dá)到保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的目的。

從震后的調(diào)查與研究中發(fā)現(xiàn)，橋梁因墩柱、支座、擋塊等連接構(gòu)件破壞進(jìn)而引起上部梁體破壞的現(xiàn)象較為普遍。設(shè)計(jì)中通過(guò)安裝具有減隔震功能的支座，并限制其豎向位移，可以較好的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷，將大部分地震力集中于支座上，改善橋梁整體構(gòu)件的抗震性能。

3　橋梁抗震設(shè)計(jì)

本文依托的海口市快速路網(wǎng)骨干工程海秀快速路，位于海南省海口市，屬于強(qiáng)震區(qū)，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，本工程地震設(shè)防烈度Ⅷ度，峰值加速度0.3g。根據(jù)中國(guó)地震災(zāi)害防御中心針對(duì)本項(xiàng)目所做場(chǎng)地安全性評(píng)估報(bào)告顯示，局部場(chǎng)地水平地震動(dòng)加速達(dá)到0.35g。

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）規(guī)定，本工程抗震設(shè)防措施等級(jí)為9級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙類。在該烈度水平下，通常的減隔震支座會(huì)產(chǎn)生支座位移過(guò)大，無(wú)豎向限位能力等弱點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置限位措施并應(yīng)設(shè)置限制支座豎向位移。

為了保證橋梁在強(qiáng)震后滿足應(yīng)急交通的需求，本工程采用減隔震設(shè)計(jì)方法（對(duì)應(yīng)規(guī)范抗震體系Ⅱ）。具體的抗震設(shè)防目標(biāo)如表1。

表1　

綜上所述，本項(xiàng)目在地震烈度各項(xiàng)指標(biāo)都較高的情況下，對(duì)減隔震支座的選擇提出了較高的要求。結(jié)合抗震計(jì)算結(jié)果及我國(guó)已建項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，選取3種較適合本項(xiàng)目的主要抗震措施進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

4　雙曲面球型減隔震支座

4.1功能概述

雙曲球面型減隔震支座是將普通球型滑動(dòng)支座進(jìn)行改造而開發(fā)的。該支座采用兩個(gè)曲面摩擦副來(lái)共同實(shí)現(xiàn)支座的承載、轉(zhuǎn)動(dòng)、滑移及減隔震功能。它主要由上座板（含不銹鋼板）、中座板（含不銹鋼板）、下座板、限位裝置、非金屬滑板等組成；同時(shí)還包括錨固聯(lián)接結(jié)構(gòu)和密封防塵結(jié)構(gòu)等配套構(gòu)件。

雙曲面球型減隔震支座在正常條件下，同普通球型支座一樣起承載、轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移作用；發(fā)生地震時(shí)，當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的水平力大于一定值時(shí)，限位裝置自動(dòng)解除，同時(shí)支座以設(shè)定的曲率半徑和摩擦系數(shù)滑移，延長(zhǎng)橋梁震動(dòng)周期，降低動(dòng)力加速度，滑移過(guò)程消耗地震能量。地震過(guò)后，支座能夠自動(dòng)復(fù)位。

支座運(yùn)動(dòng)滯回曲線如圖1可見，其雙線性滯回曲線，線形平滑飽滿。

圖1　雙曲面球型減隔震支座滯回曲線圖

4.2支座安裝

支座與梁、墩臺(tái)均采用地腳螺栓+底柱形式連接，墩臺(tái)頂面支承墊石需預(yù)留錨栓孔，支座在工廠組裝時(shí)，仔細(xì)調(diào)平，對(duì)中上、下座板，用連接螺栓將支座連接成整體。鑿毛支座就位部位的支承墊石表面，清除預(yù)留孔中的雜物，安裝灌漿用模板。支座就位部位的支承墊石表面，清除預(yù)留孔中的雜物，安裝灌漿用模板。用混凝土楔塊楔入支座四角，找平支座，在支座底面與支承墊石之間應(yīng)留有20～50mm空隙，安裝灌漿用模板。

仔細(xì)檢查支座中心位置及標(biāo)高后，用無(wú)收縮高強(qiáng)度灌注材料重力式灌漿，灌注支座下部及錨栓孔間隙處，灌漿過(guò)程應(yīng)從支座中心部位向四周注漿，直至從模板與支座底板周邊間隙觀察到灌漿材料全部灌滿為止。

4.3支座特點(diǎn)

雙曲面球型減隔震支座具有理想的減隔震能力，支座的滯回曲線重合性較好，支座的摩擦耗能內(nèi)力穩(wěn)定，能有效延長(zhǎng)減隔震結(jié)構(gòu)的自震周期，有較強(qiáng)的自恢復(fù)能力，能夠滿足高烈度區(qū)橋梁的抗震要求。

5　鉛芯隔震橡膠支座

5.1功能概述

鉛芯隔震橡膠支座是由橡膠片和薄鋼板交替疊合后硫化而成，并灌有鉛芯。其中薄鋼板的作用是約束橡膠片的橫向變形，使橡膠支座具有與常規(guī)構(gòu)件等同的豎向剛度。

橡膠片的作用是提供需要的水平位移，降低水平剛度，一般橡膠支座的水平剛度是常規(guī)構(gòu)件的1‰。灌入鉛芯的目的：①提供支座適度的阻尼，提高支座的吸能效果；②增加支座的早期剛度，對(duì)控制風(fēng)反應(yīng)和抵抗地基的微振動(dòng)有利。隔震支座的參數(shù)和性能主要由上述三者的合理組合而確定。

5.2支座技術(shù)要求

鉛芯隔震橡膠支座的參數(shù)選取直接影響其隔震效果，對(duì)于不同的抗震指標(biāo)要求，可以選取不同的支座參數(shù)。結(jié)合內(nèi)外學(xué)者的大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，根據(jù)本工程具體情況，提出以下技術(shù)要求：

（1）鉛芯隔震橡膠支座豎向和水平力學(xué)性能要求應(yīng)符合表2規(guī)定。

表2　

（2）耐久性要求如表3。

表3　

（3）各種相關(guān)性能要求如表4。

表4　

5.3支座安裝

本系列支座與梁、墩臺(tái)均采用錨固螺栓形式連接，墩臺(tái)頂面支承墊石需預(yù)留錨栓孔。鑿毛支座就位部位的支承墊石表面，清除預(yù)留孔中的雜物，安裝灌漿用模板。用混凝土楔塊楔入支座四角，找平支座，在支座底面與支承墊石之間應(yīng)留有20～50mm空隙，安裝灌漿用模板。采用重力灌漿方式，灌注支座下部及錨栓孔間隙處，灌漿過(guò)程應(yīng)從支座中心部位向四周注漿，直至從模板與支座底板周邊間隙觀察到灌漿材料全部灌滿為止。

5.4支座特點(diǎn)

鉛芯隔震支座具有良好的減震效果，通過(guò)選擇合理的豎向和水平剛度、等效阻尼比等性能參數(shù)，達(dá)到其延長(zhǎng)整體結(jié)構(gòu)周期，耗散地震能量的抗震效果，較適宜用于高烈度區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)。

6　三向限位裝置

6.1功能概述

本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為國(guó)內(nèi)同類城市高架橋梁中的較高值。在該烈度水平下，經(jīng)過(guò)抗震科研研究和大量計(jì)算分析，墩柱處會(huì)發(fā)生墩梁提離，減隔震支座會(huì)產(chǎn)生支座位移過(guò)大，無(wú)豎向限位能力等弱點(diǎn)。因此，本工程橋梁結(jié)構(gòu)需要設(shè)置額外的裝置提供限位功能，平衡結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)與內(nèi)力反應(yīng)，使其達(dá)到雙控。

為了達(dá)到上述限位目的，本工程引入一種三向限位裝置。該裝置由上擋塊、下?lián)鯄K、緩沖裝置及摩擦副組成。上擋塊和下?lián)鯄K由框架鋼結(jié)構(gòu)與錨固系統(tǒng)組成，上下?lián)鯄K反扣為十字形限位系統(tǒng)，緩沖裝置由設(shè)定剛度的橡膠緩沖墊或其他彈性襯墊組成，摩擦面設(shè)置在上下?lián)鯄K十字形接觸面上，由不銹鋼板、間隙、聚四氟乙烯滑板和承壓橡膠層組成。

6.2限位裝置安裝

在支座安裝的同時(shí)，將本三向限位裝置安裝于墩梁之間，作為墩梁三向復(fù)合限位構(gòu)件使用，屬于減隔震支座體系的重要組成部分，使支座系統(tǒng)始終處于安全工作狀態(tài)。

為保證三向限位裝置安裝精度和穩(wěn)定性，安裝時(shí)需搭設(shè)臨時(shí)支撐，配備調(diào)整鍥塊，千斤頂?shù)?。臨時(shí)支撐可細(xì)微調(diào)整其位置，同時(shí)起到臨時(shí)固定作用，為限位裝置安裝不可分割的一部分。

6.3裝置特點(diǎn)

本三向限位裝置制作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐久、安裝方便、受力機(jī)理清晰，將傳統(tǒng)分離式擋塊集成在一起，可有效限制地震作用下墩梁之間過(guò)大相對(duì)位移保證支座正常位移及防止地震作用下主梁豎向提離，同時(shí)通過(guò)緩沖裝置緩沖墩梁撞擊力，有效減低下部結(jié)構(gòu)地震力。

7　結(jié)語(yǔ)

綜上論述，減隔震設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐漸被設(shè)計(jì)人員重視并采用，減隔震支座可有效的改善橋梁在地震作用下的受力狀況，在中外已建的工程中，已有部分采用減隔震技術(shù)的工程經(jīng)受住了強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)。雙曲面球型減隔震支座及鉛芯隔震橡膠是目前使用較廣技術(shù)較成熟的兩種減隔震支座，與三向限位裝置配合使用，是目前為止橋梁上應(yīng)用最為穩(wěn)定的抗震控制技術(shù)之一，也是今后橋梁抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

[1]《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）.

[2]《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TB02-01-2008）.

[3]彭天波，李建中，范立礎(chǔ).雙曲面球型減隔震支座的開發(fā)及應(yīng)用.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（2）.

[4]彭澤友.減隔震裝置設(shè)計(jì)及在橋梁抗震中的應(yīng)用.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，2014，11.

[5]《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T822-2011）.

[6]吳斌，莊軍生.鉛鋅橡膠支座力學(xué)性能及其在橋梁工程中減隔震應(yīng)用研究.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004，25（4）.

U44

A

1673-0038（2015）26-0299-02

2015-6-9

趙巍（1982-），男，工程師，本科，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。