橋梁抗震設(shè)計體系論述及高噸位橋梁減隔震設(shè)計方法優(yōu)化

摘? ? 要：抗震設(shè)計體系分為延性設(shè)計體系和減隔震設(shè)計體系，本文對橋梁減隔震設(shè)計體系進(jìn)行了論述及總結(jié)，并針對現(xiàn)行的高噸位橋梁采用的摩擦擺減隔震支座，提出了一種改進(jìn)的減隔震設(shè)計思路，經(jīng)過計算分析，具有經(jīng)濟效益和可操作性。

關(guān)鍵詞：減隔震;支座;抗震

1? 概述

橋梁在交通中起到節(jié)點樞紐的功能，在地震發(fā)生時，是控制抗震救災(zāi)的瓶頸節(jié)點，一旦損壞，修復(fù)往往很困難，等同切斷了抗震救災(zāi)的生命線，因此保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震下的安全尤為重要。汶川地震、玉樹大地震的發(fā)生，給國民帶來了慘痛的教訓(xùn)，我國的建筑抗震設(shè)計也得到了國家層面的高度重視，橋梁的減隔震設(shè)計研究工作也在積極開展。

根據(jù)我國現(xiàn)行的橋梁設(shè)計規(guī)范，抗震設(shè)計原則為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，為滿足此設(shè)計原則，需要進(jìn)行抗震設(shè)計，對應(yīng)抗震設(shè)計體系可分為延性設(shè)計體系和減隔震設(shè)計體系。

2? 抗震設(shè)計體系

2.1? 延性設(shè)計體系

延性抗震設(shè)計體系的核心是“抗震”，即考慮讓結(jié)構(gòu)本身提供抵抗地震作用，保證結(jié)構(gòu)的整體安全。其由剛性結(jié)構(gòu)體系和柔性結(jié)構(gòu)體系演化發(fā)展而來的，需協(xié)調(diào)的設(shè)計結(jié)構(gòu)的強度和剛度，地震作用下，結(jié)構(gòu)從彈性進(jìn)入到塑性狀態(tài)，同時具有較大的延性，從而能夠消耗結(jié)構(gòu)能量，達(dá)到損壞但不倒塌的效果。

具體設(shè)計中，在“中震可修”的狀態(tài)，橋梁結(jié)構(gòu)部分節(jié)點出現(xiàn)塑性鉸，但結(jié)構(gòu)的承載能力卻沒有降低，能夠緩慢的吸收地震能量;但在“大震不倒”的狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸節(jié)點又具有可控的變形，不至于倒塌。

延性抗震設(shè)計體系能充分的利用結(jié)構(gòu)材料本身的特性，經(jīng)濟合理，但結(jié)構(gòu)本身的損傷無法避免，同時其理論體系還在發(fā)展過程中，計算體系復(fù)雜，取決于設(shè)計人員把控能力，對設(shè)計人員的職業(yè)素質(zhì)要求較高。

2.2? 減隔震設(shè)計體系

相對延性設(shè)計體系是在地震作用下被動的抵御，減隔震設(shè)計體系則是主動的消耗地震作用。

在地震動作用下，通過減隔震裝置將地震作用和構(gòu)件隔離，并通過減隔震裝置來消耗地震作用，起到減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受地震作用的效果。

地震作用下的加速度反應(yīng)譜如圖1所示，位移反應(yīng)譜如圖2所示，反映了在不同阻尼作用下下，地震加速度和位移雖地震周期的變化規(guī)律。

因此延長結(jié)構(gòu)的周期、增加結(jié)構(gòu)的阻尼，能夠有效的降低地震作用時的位移和加速度響應(yīng)。減隔震技術(shù)即利用了此性質(zhì)，達(dá)到減少地震作用的目的。

減隔震技術(shù)能有效減輕地震作用，提升房屋建筑工程抗震設(shè)防能力[1]，同時概念清晰，過程可控，各建設(shè)主管部門正在有計劃，有部署，積極穩(wěn)妥推廣應(yīng)用[2]。

3? 橋梁減隔震結(jié)構(gòu)裝置

按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求，常用的橋梁減隔震裝置可以分為分離型減隔震裝置和整體型減隔震裝置。

分離型減隔震裝置主要是常規(guī)支座和阻尼器結(jié)合，如橡膠支座分別和摩擦阻尼器、金屬阻尼器、粘性材料阻尼器組合等等。分離型減隔震裝置安裝復(fù)雜，構(gòu)件需相互協(xié)調(diào)工作，受力分析繁瑣，目前在橋梁結(jié)構(gòu)實際工程中應(yīng)用較少。

整體型減隔震裝置也即減隔震支座，是指支座本身具有支撐上部結(jié)構(gòu)的功能外，內(nèi)部還有相應(yīng)的構(gòu)件消耗地震作用，常用的有高阻尼橡膠支座、摩擦擺減隔震支座、鉛芯橡膠支座等。相對分離型減隔震裝置，整體型減隔震裝置構(gòu)件集成，減隔震思路清晰，在目前的橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)用較廣。

4? 減隔震支座

4.1? 橡膠型減隔震支座

橡膠型減隔震支座主要是由鋼板和橡膠片組成。鋼板用來限制橡膠片的橫向變形，同時增加支座的豎向剛度;橡膠則是耗能構(gòu)件，通過橡膠來隔離上、下部的地震作用，通過其變形來消耗地震作用。

鉛芯橡膠支座則是在支座中心放入鉛芯，優(yōu)化支座的阻尼性能，減隔震效果更明顯。

橡膠型減隔震裝置成本低、安裝方便、構(gòu)造簡單、受力明確、加工容易，因此目前是在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種減隔震裝置。

但其缺點是受橡膠本身特性的限制，在高寒冷地區(qū)、對于噸位較大的橋梁結(jié)構(gòu)不適用，其豎向最大承載力一般控制住10MN作用。

4.2? 摩擦擺型減隔震支座

摩擦擺減隔震支座是巧妙利用本身的構(gòu)造特性起到減隔震作用，其核心出發(fā)點是在地震作用下，支座上下可以在曲面上自由的擺動，在自重作用下有自恢復(fù)的效應(yīng)。其利用鐘擺原理實現(xiàn)減隔震功能，支座通過滑動界面摩擦消耗地震能量實現(xiàn)減震功能，通過球面擺動延長梁體運動周期實現(xiàn)隔震功能[3]。

摩擦擺支座中設(shè)置抗震銷釘，在小震及中震作用下，抗震銷釘不剪斷，僅主墩承受地震作用，可控制結(jié)構(gòu)的位移;在大震作用下，摩擦擺支座中的抗震銷釘剪斷，固定墩轉(zhuǎn)化為活動墩，全聯(lián)承受地震作用，其位移也相應(yīng)增大。

摩擦擺支座能適應(yīng)較大的噸位，在大跨度橋梁設(shè)計中應(yīng)用更為廣泛。基于上述的摩擦擺減隔震支座抗震原理，本文以實際工程為例，提出了摩擦擺支座抗震設(shè)計的優(yōu)化方法，并與常規(guī)的設(shè)計思路進(jìn)行了對比。

5? 工程背景

5.1? 總體布置

河南鄭州某工程采用了30+50+30m的預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆大箱梁，橋梁橫斷面布置為雙六，橫斷面寬度為25.5m。

橋梁的立面布置圖如圖3所示。

橫斷面布置如圖4所示所示。

5.2? 構(gòu)造設(shè)計

橫梁整體式箱梁斷面為大挑臂弧形斜腹板箱梁斷面形式，雙向橫坡，跨中截面高度為200cm，中墩截面高度為300cm，以二次拋物線過渡。

橫斷面兩側(cè)挑臂長度均為5.4m，挑臂與外側(cè)腹板弧線半徑7.5m，外側(cè)腹板與箱梁底板倒圓弧半徑3.75m，挑臂端部厚度為0.2m;橋面板厚度為220mm，底板厚度為220mm～400mm，腹板厚度為400mm～600mm。

下部結(jié)構(gòu)采用曲線“H”型雙肢墩，墩身上段為稍微外展，中墩平均高度為8.35m。立柱尺寸為200×240cm（橫橋向×順橋向）。

5.3? 抗震設(shè)計

鄭州地震設(shè)計分組為第二組，抗震基本烈度為Ⅶ度，抗震措施設(shè)防烈度為Ⅷ度，地震動峰加速度值為0.15g。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：抗震設(shè)防分類為乙類，抗震設(shè)計方法為A類。

本工程的抗震體系采用整體型減隔震裝置，為滿足支座的噸位要求，采用的是摩擦擺減隔震支座，在較高的墩上設(shè)置固定支座，使較高的墩成為固定墩。

支座布置如圖5所示。

6? ?優(yōu)化抗震設(shè)計思路

6.1? 常規(guī)抗震設(shè)計思路

如前文所述，摩擦擺支座中設(shè)置了抗震銷釘，在E1地震作用下，抗震銷釘不剪斷，僅靠橋梁的固定墩來承受全部地震荷載，其他墩不承受地震荷載作用，這會導(dǎo)致：

（1）固定墩的構(gòu)件設(shè)計加強較多。因僅固定墩承受全部E1地震荷載，固定墩的立柱配筋以及對應(yīng)的下部樁基設(shè)計均需要大大加強，不經(jīng)濟。

（2）支座噸位較大。支座的水平承載力是豎向承載力的0.1倍左右，為了滿足E1地震下水平承載力的要求，需要對應(yīng)加大支座的規(guī)格，但對正常使用狀態(tài)下的豎向承載力來說，是富裕非常多的，不經(jīng)濟。

（3）非固定墩需要參與承受E2地震下的作用，其配筋仍要滿足地震下荷載的要求，無法減少。

6.2? 優(yōu)化抗震設(shè)計思路

基于上述問題及摩擦擺型減隔震支座的原理，本文提出了一種優(yōu)化的減隔震設(shè)計方法：

固定墩僅是在正常使用狀態(tài)下的固定墩，在E1地震作用下抗震銷釘即剪斷，全聯(lián)橋墩均參與到減隔震作用來，起到減少固定墩的材料用量，起到優(yōu)化減隔震的抗震思路和過程。

6.3? 兩種抗震設(shè)計思路計算對比

計算軟件采用Midas Civil，下部基礎(chǔ)按照剛度相同的邊界條件約束（經(jīng)工程實際證明，能夠滿足抗震設(shè)計的精度要求），上部采用三維梁單元，實際模擬立柱的尺寸和高度等參數(shù)，抗震計算模型如圖6所示。

橋墩橫向設(shè)置兩個支座，E1地震作用下，固定墩承受的全部水平力約為580t;E2地震作用下，固定墩承受的全部水平力約為1220t。

本工程實際設(shè)計中，為了滿足E1地震下抗震銷不剪斷，E2地震下抗震銷剪斷，固定墩支座的噸位選用的55MN，水平承載力為55t，活動中墩選用支座噸位27.5MN。

按照優(yōu)化的抗震設(shè)計思路，固定中墩和活動中墩均選用27.5MN規(guī)格的支座。在靜力作用下，僅固定中墩承受靜力水平荷載，在E1和E2作用下，固定中墩抗震銷釘剪斷，轉(zhuǎn)化為活動中墩，全聯(lián)抵抗地震力。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)計算分析，按照優(yōu)化的抗震設(shè)計思路進(jìn)行本工程的設(shè)計，可在以下方面減少材料用量：

（1）固定墩的支座噸位從55MN降低到27.5MN。

（2）固定墩橋墩的主筋由2層32@100減少到了1層32@100。

（3）固定墩樁基設(shè)計為15根直徑150cm的鉆孔灌注樁，樁長由56m減少到了42m。

6.4? 優(yōu)化的抗震設(shè)計思路問題

（1）結(jié)構(gòu)位移較大。減隔震的中心思想是通過減隔震構(gòu)件自身的變形來降低地震力響應(yīng)，按照優(yōu)化的抗震思路，則會大幅度增加橋梁的變形。按照優(yōu)化的抗震設(shè)計思路，經(jīng)計算分析，本工程的縱向梁端位移在E1地震下為5.7cm，在E2地震下為13.6cm。

可見E2地震下的變形非常大，需要采用相應(yīng)規(guī)格的伸縮裝置才能滿足此變形。

（2）E1地震作用后，即需要更換支座。

相對E2地震作用，E1地震發(fā)生概率更大。常規(guī)設(shè)計思路E1地震下不需要更換支座，僅E2作用下需要更換支座。

優(yōu)化的設(shè)計思路下，E1、E2作用下均需要更換支座，增加了養(yǎng)護維修的費用。

7? 結(jié)論

本文對現(xiàn)行的抗震設(shè)計體系進(jìn)行了論述及總結(jié)：延性設(shè)計體系雖經(jīng)濟可行，但對設(shè)計人員的要求較高，且會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，在現(xiàn)行的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用較少;減隔震設(shè)計體系受力明確，效果明顯，在橋梁減隔震設(shè)計中采用的較多。

此外，針對目前高噸位的橋梁所采用的的摩擦擺減隔震支座，從減隔震原理出發(fā)，提出了一種綜合經(jīng)濟效益、又切實可行的優(yōu)化設(shè)計思路，供相關(guān)設(shè)計人員思考和采用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見（暫行）（建質(zhì)〔2014〕25號）.

[2] 周濤.大噸位城市高架橋梁減隔震設(shè)計新思路[J].中國市政工程，2018.4

[3] T/T 852—2013.公路橋梁摩擦擺式減隔震支座[S].

作者簡介：

周濤（1985—）男，民族：漢族，籍貫：山東省萊陽市，學(xué)歷：碩士畢業(yè)院校：同濟大學(xué)，職稱：工程師，現(xiàn)就就職于：上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，研究方向：橋梁。