橋梁抗震設(shè)計關(guān)鍵點與減隔震技術(shù)的應用

李鵬程

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來，我國路橋總里程數(shù)穩(wěn)居世界第一，橋梁的數(shù)量不斷增加，儼然已成為人們生活中必不可少的一種建筑結(jié)構(gòu)。但是，我國地震頻發(fā)，橋梁結(jié)構(gòu)因地震而時常發(fā)生耐久性下降及失穩(wěn)等問題，人民的生命和財產(chǎn)安全因此遭受了巨大損失。公路橋梁震害不但直接危及人們的生命安全問題，還給災后救援工作帶來了極大的困難與阻礙。因此研究橋梁抗震設(shè)計以及橋梁減隔震技術(shù)的應用，對于避免橋梁結(jié)構(gòu)震害問題有著重要的研究意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及震害特點

1.1 我國橋梁抗震設(shè)計研究現(xiàn)狀

我國橋梁抗震研究起步較晚，1976年唐山大地震后，由于地震對結(jié)構(gòu)的嚴重破壞，以及受橋梁結(jié)構(gòu)破壞后的一系列嚴重后果的啟示，抗震研究及抗震設(shè)計在橋梁中才真正得到發(fā)展。結(jié)構(gòu)抗震分析早期主要采用靜力理論，隨著結(jié)構(gòu)動力學的發(fā)展，20世紀40年代，地震反應譜法、結(jié)構(gòu)動力時程分析法被逐漸應用到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析中。到20世紀60年代，結(jié)構(gòu)抗震理論研究步入成熟階段。1977年頒布了《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（JTJ 004—89），進一步推動了我國橋梁抗震設(shè)計。

我國現(xiàn)行抗震規(guī)范在借鑒美國、日本等橋梁抗震規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出兩水準設(shè)防和兩階段設(shè)計目標的關(guān)鍵抗震設(shè)計理念和設(shè)計方法，抗震設(shè)計邁出了一大步，實現(xiàn)了與國際的接軌。但中外橋梁實際建造體系不同，橋梁結(jié)構(gòu)傳力方式有所差異，借鑒時未全面考慮我國橋梁結(jié)構(gòu)與國外的差異性，造成了我國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范在指導實踐時暴露出一些問題。

我國中小跨徑公路橋梁上部結(jié)構(gòu)利用板式橡膠支座鉸接。美國大部分橋梁結(jié)構(gòu)采用框架式橋墩，主梁和墩柱剛接。日本主要采用以鋼支承為主的結(jié)構(gòu)體系。

早期美國和日本公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范要求在地震作用下，路橋結(jié)構(gòu)支座不發(fā)生破壞，保證橋梁上下結(jié)構(gòu)傳力不中斷，上部結(jié)構(gòu)地震作用力通過支座傳給橋墩。我國現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范忽略了中外橋梁結(jié)構(gòu)體系的不同，也要求中國橋梁傳力體系不中斷，即支座不發(fā)生破壞，并通過在橋墩頂預設(shè)耗能部件來耗散地震能。但我國橋梁的板式橡膠支座，屬于塑性鉸接，大震下不可避免發(fā)生損傷，背離了我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范對大震作用下保證結(jié)構(gòu)上下傳力不中斷的要求，即實際上難以滿足規(guī)范[1]。這也造成我國橋梁結(jié)構(gòu)震害特點及損傷模式，參考和借鑒國外學者的研究，已經(jīng)不能滿足我國的現(xiàn)實要求，亟待更多的研究。

1.2 我國橋梁震害分析

1976年唐山大地震（7.8級）中，遭受震害的鐵路橋梁占總數(shù)的39.3%。唐山地震中，鐵路橋梁的主要破壞形式有以下幾種[2]：

（1）墩臺破壞：地震中鐵路橋梁墩臺出現(xiàn)了不同程度的損傷，橋墩產(chǎn)生橫向裂紋，部分橋墩剪斷，橋臺下沉，路面變形破壞。

（2）橋梁縱、橫向位移：地震中鐵路橋梁梁體發(fā)生縱向和橫向大位移，其中薊運河鐵路橋的多數(shù)橋支座震后偏離在橋墩外，其下行單線橋兩孔鋼梁在河心相撞，鋼梁起落后，向下游橫移0.7m左右等。

（3）支座破壞：在唐山地震中鐵路橋梁支座破壞達19座。圖1為唐山地震中橋梁震害圖。

圖1 唐山大地震橋梁震害圖

2008年四川汶川地震（8.0級）中，據(jù)不完全統(tǒng)計有270余座橋梁遭到破壞。在汶川地震中，鐵路橋梁的主要破壞形式有以下幾種[3]：

（1）墩臺破壞：此次地震中，墩臺混凝土產(chǎn)生開裂與剝落破壞；水平向剪切破壞，距墩底1/3～1/6處出現(xiàn)明顯的水平貫通裂縫。

（2）橋梁縱、橫向位移：位于近場地震區(qū)的橋梁，上部結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)不同程度的縱橫向位移破壞。

（3）支座破壞：汶川地震中，由于梁體位移造成支座彎曲或者剪切破壞，部分支座脫離梁體、支座上下板移位，甚至傾覆。圖2為汶川地震中橋梁震害圖。

圖2 汶川地震橋梁震害圖

通過這些震害現(xiàn)象分析，在橋梁抗震設(shè)計時，從傳統(tǒng)的抗震設(shè)計手段上，首先應盡可能地采用整體規(guī)則性好的橋梁結(jié)構(gòu)布置形式，避免結(jié)構(gòu)不規(guī)則或質(zhì)量和剛度不連續(xù)等；其次，應合理地選擇橋梁上下結(jié)構(gòu)的連接形式，對于高橋墩的橋梁，適當?shù)剡x擇剛性連接，對于矮橋墩的橋梁，建議選擇塑性鉸連接，同時注意橋墩的搭接長度和梁設(shè)置的合理性。兩次地震后，橋梁的震害統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用板式橡膠支座的橋梁，雖然容易造成上部結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，但其混凝土擋塊在地震中的適當犧牲，可作為地震能量耗散結(jié)構(gòu)，能夠有效降低橋梁下部結(jié)構(gòu)所受的地震力。地震中，采用板式橡膠支座的橋梁屬于廣義的隔震措施，支墩損傷較輕。但是在抗震設(shè)計中如何把握擋板損傷程度，并控制上部梁體的位移在可接受范圍內(nèi)，仍然需要更多的研究。

2 減隔震技術(shù)研究

2.1 橋梁減隔震技術(shù)的研究與應用

基于上述我國橋梁的主要震害特點分析，地震時，橋梁結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大的力和位移，而上部結(jié)構(gòu)的變形，主要取決于上下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和耗能等。當橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材料等確定后，其質(zhì)量和剛度的可變?nèi)哂喽容^小，能夠進行抗震控制的關(guān)鍵點最終落在結(jié)構(gòu)地震能力耗散的多少及耗能的有效性上。

傳統(tǒng)的橋梁抗震手段在結(jié)構(gòu)抗震有效性方面具有局限性。減隔震設(shè)計的橋梁，通過隔震和耗能裝置，致力于結(jié)構(gòu)地震能量的耗散與結(jié)構(gòu)地震作用的控制，可以在地震時有效地控制橋梁的地震力和位移，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和性能。

1881年日本學者河合浩藏首先提出基礎(chǔ)隔震的概念。隨后橋梁減隔震的研究進入繁榮期。目前應用在橋梁上的減隔震裝置主要有橡膠類支座、摩擦類支座、彈塑性阻尼器等。

基于前人的研究分析，疊層橡膠支座的本構(gòu)模型可以采用線性模型來表示。鉛芯橡膠支座的力學模型可以用雙線性分析模型來表示。摩擦擺式支座的恢復力模型為雙線性。由此可見，不同的減隔震裝置，其自身剛度、彈塑性、耗能水平等不同，造成其計算力學模型不同，在進行橋梁減隔震設(shè)計及研究時，對減隔震裝置的力學性能分析是各種研究開展的重要前提。

隨著基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與各種減隔震技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計由降低結(jié)構(gòu)地震響應向更高水平的優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能控制的方向不斷發(fā)展。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計邁向一個新階段。

2.2 減隔震橋梁地震反應分析

本文對減隔震橋梁的抗震性能研究，依托于某預應力混凝土簡支箱梁橋結(jié)構(gòu)工程實例，本工程擬采用E型鋼阻尼隔震支座，E型鋼阻尼支座是把普通橡膠支座與彈塑性軟鋼阻尼元件結(jié)合起來使用，目前在公路橋梁抗震設(shè)計中得到廣泛的應用。

E型鋼阻尼元件的力學模型，可簡化為桿系模型進行分析，其中兩邊與橋梁下部結(jié)構(gòu)聯(lián)系的點作為鉸支，中間與橋梁上部結(jié)構(gòu)聯(lián)系的點作為可動，如圖3所示。

圖3 E型鋼力學模型

式中:σy為E型鋼板的屈服強度；εy為屈服應變；εmax由選用的鋼材決定；s為板厚；b為直臂段的寬度;h為力臂；b1為中間臂的平均寬度；b2為側(cè)臂的平均寬度；l為E型鋼板直臂段長度。

綜合計算可得，E型鋼阻尼元件的力學模型，在此基礎(chǔ)上疊加盆式橡膠支座的力學模型，可得到組合減隔震支座的力學模型，E型鋼阻尼支座的力學模型如圖4所示。

圖4 支座力學模型

本文以日本地震分析軟件FRAME分別建立工程實例橋梁的隔震橋梁計算模型和非隔震橋梁計算模型。在有限元模型中，主梁采用線彈性梁單元，橋墩采用線彈性梁單元，減隔震支座變形采用雙直線彈簧單元。建立基礎(chǔ)—橋墩—支座（減隔震支座）—梁體的數(shù)值模型。

本文以采用E型鋼阻尼支座的橋梁為建模對象，從PEER地震動數(shù)據(jù)庫選取3條歷史地震動記錄：EICentro波、SanFernando波和汶川地震波，作為地震動輸入條件，進行結(jié)構(gòu)動力時程反應分析。通過分析，計算非隔震橋梁與隔震橋梁在地震作用下：支座損傷（以地震作用下支座位移是否超過支座所能承受的極限位移，判定支座損傷與否）、梁體相對位移、墩底最大剪力等結(jié)構(gòu)地震響應，結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 支座損傷

圖6 梁體相對位移

圖7 墩底剪力

通過對比分析可得：雖然隔震橋梁隔震支座位移大于非隔震橋梁支座位移，但隔震橋梁支座損傷遠小于非隔震支座損傷；隔震橋梁梁體相對位移明顯小于非隔震橋梁梁體相對位移；隔震橋梁地震作用下結(jié)構(gòu)的墩底剪力最大值明顯小于非隔震橋梁。由此可見，減隔震技術(shù)是一種行之有效的橋梁結(jié)構(gòu)抗震措施，可以明顯降低結(jié)構(gòu)地震力作用。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，隔震橋梁的減隔震效果與結(jié)構(gòu)自有周期和隔震后的結(jié)構(gòu)周期有一定關(guān)系，可作為后續(xù)研究方向。在隔震設(shè)計時，除了明確隔震裝置的力學性能，還應考慮結(jié)構(gòu)周期與隔震后的結(jié)構(gòu)周期關(guān)系，及其對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。我國橋梁減隔震技術(shù)應用與實踐，不如其他建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，減隔震橋梁技術(shù)與抗震性能等，仍需更多的應用與研究。

3 結(jié)論

（1）本文從國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)體系與傳力分析方面，結(jié)合我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，提出了橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的不足；（2）通過分析唐山地震和汶川地震中橋梁震害特點，指明橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)控制方向及關(guān)鍵點；（3）通過理論分析與數(shù)值模擬，對比分析隔震橋梁與傳統(tǒng)非隔震橋梁的地震響應，論證了減隔震技術(shù)是一種行之有效的橋梁抗震手段，為橋梁的抗震設(shè)計提供參考，推動減隔震技術(shù)在橋梁中的應用與研究。