淺談橋梁抗震設計方法與減隔震技術

文/王俊茹 劉 麟

淺談橋梁抗震設計方法與減隔震技術

文/王俊茹 劉 麟

1、橋梁震害概述

隨著城市現代化進程不斷加快、城市人口的大量聚集和經濟的高速發展，交通網絡在整個城市生命線抗震防災系統中的重要性不斷提高，對橋梁的依賴性越發增強。而近幾十年全球發生的多次破壞性大地震表明，作為抗震防災、危機管理系統重要組成部分的橋梁工程在地震中受到破壞，將嚴重阻斷震區的交通生命線，使地震產生的次生災害進一步加重，給救災和災后重建工作帶來極大困難。同時，橋梁作為重要的社會基礎設施，投資大、公共性強、維護管理困難。提高橋梁的抗震性能是減輕地震損失、加強區域安全的基本措施之一。根據以往地震中橋梁的震害情況，鋼筋混凝土橋梁常見的破壞形式主要分為上部結構破壞、支座破壞、下部結構破壞和基礎破壞等。

2、橋梁抗震設計方法的發展

2.1基于強度的設計方法

早期的抗震設計基本采用基于強度的抗震設計方法，將地震力當作靜荷載進行結構分析，以結構構件的強度或剛度是否達到特定的極限狀態作為結構失效的準則。且該方法是目前許多抗震設計規范仍采用的設計方法。

2.2基于延性的設計方法

結合橋梁結構彈塑性破壞的特點，一些學者提出了基于反應譜的延性抗震設計方法。該方法采用地震力修正系數調整反應譜加速度或彈性分析的地震內力，來反映不同結構的延性需求。如美國AASHTO橋梁設計規范就針對橋墩、基礎、支座等構件，采用不同的地震反應修正系數R對彈性地震力進行折減，得到設計地震力。

2.3基于性能的抗震設計

基于性能的抗震設計實際上是一總體設計思想，主要指結構在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能達到一組預期的性能目標。基于性能的抗震設計是使設計出的結構在指定強度地震下的破損狀態及其造成的經濟損失、人員傷亡等控制在預期的目標范圍內，使結構震后的功能得以延續和維持。基于性能的抗震設計的特點是使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，將抗震設計由以保障人們生命安全為基本目標轉化為不同風險水平地震作用下滿足不同的性能目標，從而通過多目標、多層次的抗震安全設計來最大限度保障人民生命財產安全，滿足業主所需的結構性能目標。基于性能的抗震設計內容主要包括:1)科學的定義和確定地震危險性；2)確定結構在不同水平地震作用下損傷狀態、性能水平和性能指標；3)設計方法，主要包括承載力設計方法、位移設計方法和能量設計方法等。

3、橋梁減隔震技術

3.1 減隔震技術的概念和發展

減震是人為在結構的某些部位設置阻尼器或耗能構件，改變結構的動力性能，耗散結構吸收的地震能量，從而降低結構的地震反應。隔震則是指通過延長結構的自振周期避開地震卓越周期或減小地震能量輸入，以此降低結構地震反應。對橋梁結構采用隔震技術的思想產生由來已久，減隔震技術自誕生以來，受到了廣泛的重視。第一座采用減隔震技術的橋梁是新西蘭的Motu橋，建于1973年，上部結構采用滑動支承隔震，阻尼由U形鋼彎曲梁提供。該橋建成后，減隔震技術在橋梁抗震中得到了迅速推廣。美國第一次將減隔震技術用于橋梁是在1984年，用于對SierraPointBridge進行抗震加固。1990年，美國新建了第一座采用減隔震技術的橋梁Sexton橋。在日本，第一座建成的減隔震橋梁是靜崗縣橫跨Keta河的宮川大橋，完成于1990年，是一座3跨連續鋼桁架梁橋，采用鉛芯橡膠支座作為減震構件。

3.2 常用減隔震裝置

1)分層橡膠支座。分層橡膠支座，國內常稱為板式橡膠支座。由薄橡膠片與薄鋼板相互交替結合而成，支座平面形狀多采用圓形或矩形。在抗震設計中主要考慮分層橡膠支座的水平剛度和阻尼作用等因素。橡膠支座的水平剪切剛度，指上、下板面產生單位位移時所需施加的水平剪力。橡膠支座通過在變形過程中消耗能量提供阻尼，這種阻尼主要取決于橡膠層變形的速度。以天然橡膠為主要材料制作的支座，典型的阻尼比為5%～10%。分層橡膠支座的力—位移滯回曲線呈狹長形，所提供的阻尼較小，因而在減隔震橋梁設計中，常與阻尼器一起使用。

2)鉛芯橡膠支座。鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座的基礎上，在支座的中部或中心周圍部位豎直地壓入高純度鉛芯以改善支座阻尼性能的一種減震支座。鉛芯具有良好的力學特性，具有較低的屈服剪力(約10MPa)，具有足夠高的初始剪切剛度(約130MPa)，具有理想彈塑性性能且對于塑性循環具有很好的耐疲勞性能，能夠提供地震下的耗能能力和靜力荷載下所必需的剛度。因此，由鉛芯和分層橡膠支座結合的鉛芯橡膠支座能夠滿足一個良好減隔震裝置所應具備的要求:在較低水平力作用下，具有較高的初始剛度，變形很小；在地震作用下，鉛芯屈服，剛度降低，延長了結構周期，并消耗地震能量。

3)滑動摩擦型減隔震支座。滑動摩擦型支座利用不銹鋼與聚四氟乙烯材料之間相當低的滑動摩擦系數制成。也稱為聚四氟乙烯滑板支座。這種支座具有摩擦系數小，水平伸縮位移大的優點，作為橋梁活動支座十分適宜。在地震作用下，滑動摩擦型支座允許上部結構在摩擦面上發生滑動，從而將上部結構能夠傳遞到下部結構的最大地震力限制為支座的最大摩擦，同時通過摩擦消耗大量的地震能量。這類支座的缺點是沒有自復位能力，用作隔震支座時，支座響應的可預測性和可靠性都不盡如人意，所以常與阻尼器和橡膠支座等其他裝置一起使用。

4)鋼阻尼器。鋼阻尼器利用鋼材的塑性變形來耗能。a.有橫向加載臂的均勻彎矩彎曲梁阻尼器，加載臂有一傾斜角度；b.錐形懸臂彎曲梁阻尼器；c.有橫向加載臂的扭梁阻尼器。鋼阻尼器的優點是制造不需要特殊設備，費用比較合適，堅實耐用，又具有較大的耗能能力。試驗研究表明，大多數鋼阻尼器的滯回曲線可用雙線性來近似模擬。不同類型鋼阻尼器的選擇取決于阻尼器放置的位置、可利用的空間、連接的結構以及力和位移的大小。

鋼阻尼器通常和橡膠隔震支座一起使用，如聚四氟乙烯滑板支座與懸臂鋼阻尼器就是一種合理組合。

3.3 減隔震裝置的選擇

橋梁的減隔震系統應滿足如下三個基本功能:1)具備一定的柔度，用來延長結構周期，降低地震力；2)通過阻尼、耗能裝置等對地震力進行耗散，并將支承面處的相對變形控制在設計允許的范圍內；3)具備一定的剛度和屈服力，在正常使用荷載下結構不發生屈服和有害振動。

進行減隔震設計時，應將重點放在提高耗能能力和分散地震力上，不可過分追求加長周期。而且應選用作用機構簡單的減隔震裝置，并在其力學性能明確的范圍內使用。另外，減隔震裝置不僅要能減震耗能，還應滿足正常運營荷載的承載要求，因此選擇減隔震裝置時，還應注意以下一些要求:1)在不同水準地震作用下，減隔震支座都應保持良好的豎向荷載支承能力；2)減隔震裝置應具有較高的初始水平剛度，使得橋梁在風荷載、制動力等作用下不發生過大的變形和有害的振動；3)當溫度、徐變等引起上部結構緩慢的伸縮變形時，減隔震支座產生的抗力應比較低；4)減隔震裝置應具有較好的自復位能力，使震后橋梁上部結構能夠基本恢復到原來位置。

4、結語

隨著人類對地震災害特性和橋梁工程震害特點的深化認識和深入研究，橋梁抗震設計方法經歷了從強度、延性設計到基于性能發展的過程，伴隨橋梁減隔震技術的發展和應用，將大大提高地震作用下橋梁的安全性，減輕地震損失，并為震區的震后交通生命線暢通和救災工作的順利提供有力保障。▲

王俊茹，石家莊市政設計研究院有限責任公司

劉 麟，石家莊市政設計研究院有限責任公司