減隔震支座在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 剛 衛(wèi)

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

減隔震支座在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 剛 衛(wèi)

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

介紹了橋梁減隔震支座的工作原理及類型，從工程實(shí)例出發(fā)，對(duì)減隔震支座和普通支座進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了減隔震支座在工程實(shí)際中的應(yīng)用情況，并指出減隔震支座是一種先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的橋梁新型抗震技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。

減隔震支座，橋梁，隔震設(shè)計(jì)

減隔震支座為一種先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的橋梁新型抗震技術(shù)。近幾年，橋梁的抗震設(shè)計(jì)上升到一個(gè)新的高度，越來(lái)越被關(guān)注且密切重視，因此減隔震支座的運(yùn)用在橋梁工程界也興起了一場(chǎng)革命，然而設(shè)計(jì)界的部分工程師對(duì)減隔震支座的認(rèn)識(shí)懵懂，潛意識(shí)里回避該新技術(shù)在工程中的采用，從而在一定程度上延緩了減隔震技術(shù)在橋梁界的推廣。

1 橋梁設(shè)計(jì)中減隔震技術(shù)的工作原理

橋梁隔震即為隔離地震。在橋梁工程建筑中設(shè)置以便安全控制結(jié)構(gòu)，設(shè)置后由地面震動(dòng)帶來(lái)的巨大能量被隔離，使整座橋梁實(shí)際受到的震動(dòng)緩減，從而保證了橋梁建筑的安全。橋梁的隔震設(shè)計(jì)的工作原理是利用減隔震支座的組合耗能器來(lái)吸收地面震動(dòng)帶來(lái)的特大能量。橋梁設(shè)計(jì)中的隔震結(jié)構(gòu)是在橋梁結(jié)構(gòu)的上下部設(shè)置一層隔震層，隔震層采用的材料不同，其原理也大同小異，因此在對(duì)隔震層進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況選用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。

2 橋梁減隔震產(chǎn)品

2.1 鉛芯橡膠支座

鉛芯支座的原理是在普通疊層橡膠支座的中心插入鉛芯以此來(lái)改善橡膠支座的阻尼性能。鉛芯支座有以下三個(gè)功能：1)能夠承受結(jié)構(gòu)物的水平力和重力；2)鉛芯所產(chǎn)生的滯后阻尼能吸收能量；3)可通過(guò)特質(zhì)橡膠來(lái)提供水平恢復(fù)力。

2.2 高阻尼橡膠支座

高阻隔震橡膠支座是按照國(guó)標(biāo)GB 20688設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，又名HDR支座，它的原理是在天然橡膠中加入多種配合劑，以此來(lái)提高橡膠的阻尼性能(增加滯后損失、降低儲(chǔ)存模量)，然后利用這種具有阻尼效果的橡膠制成與普通橡膠支座結(jié)構(gòu)相似的一種鋼板和橡膠通過(guò)熱硫化構(gòu)成疊層產(chǎn)品。該產(chǎn)品隔震性能好，適用范圍廣，是一種性價(jià)較高的新型橋梁和房屋建筑產(chǎn)品。因其加工、制造工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品力學(xué)性能可靠，在5·12地震后得到廣泛應(yīng)用。

2.3 摩擦擺式減隔震支座

摩擦擺式減隔震支座分為下部滑動(dòng)式、上部滑動(dòng)式。兩種工作原理基本類似，產(chǎn)品中間層設(shè)滑塊，其由高強(qiáng)度抗壓成分組成，底板滑動(dòng)面及上部結(jié)構(gòu)重力設(shè)計(jì)呈圓弧形，下部結(jié)構(gòu)當(dāng)產(chǎn)生地震位移時(shí)，具有滑塊的圓弧形滑動(dòng)面總是能產(chǎn)生向中心的回復(fù)力，同時(shí)在整個(gè)地震位移過(guò)程中產(chǎn)生的整個(gè)能量通過(guò)滑動(dòng)面和滑塊之間摩擦來(lái)耗散。

3 工程實(shí)例設(shè)計(jì)

3.1 工程介紹

太原東山地區(qū)東中環(huán)凱旋街跨線橋工程，橋梁中心樁號(hào)位于主線K10+495.597處，橋梁全長(zhǎng)316.68 m，采用9×35 m(3跨1聯(lián)，共3聯(lián))等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁寬度23.5 m，橋墩采用帶橫梁雙立柱橋墩，基礎(chǔ)均為承臺(tái)配樁基，橋臺(tái)采用樁接蓋梁形式。橋梁立面圖見(jiàn)圖1。

上部結(jié)構(gòu)等截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁梁頂寬23.3 m，梁底寬度14.0 m，箱梁懸臂段按照?qǐng)A曲線過(guò)渡，梁高2.0 m，箱梁分五室，外側(cè)腹板為斜度較大的斜腹板，中間四道腹板為直腹板，直腹板厚度由0.7 m過(guò)渡到0.4 m。箱梁頂、底板自橋中心線向兩側(cè)形成2%的橫坡。下部橋墩立柱形式采用雙立柱帶橫梁橋墩，立柱采用矩形斷面(帶圓角)，高度從中間向兩側(cè)呈弧線形變高，為增大支座之間的間距，在其頂部立柱適當(dāng)外傾，等截面連續(xù)梁標(biāo)準(zhǔn)段橋墩斷面尺寸為200 cm(寬度)×180 cm(厚度)，墩頂設(shè)置系梁。橋臺(tái)采用樁接蓋梁形式。橋墩、臺(tái)基礎(chǔ)均采用承臺(tái)配樁基，樁徑采用1.5 m。3×35 m等截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)橋墩基礎(chǔ)承臺(tái)尺寸為10.3 m(橫橋向)×10.3 m(縱橋向)×2.5 m(高度)，承臺(tái)下樁基為3排9根φ1.5 m的樁基，采用鉆孔灌注樁，樁間距為3.9 m。主橋橋臺(tái)采用1排1.2 m的樁徑。橋梁橫斷面圖見(jiàn)圖2。

3.2 支座型號(hào)的選擇

方案一：隔震設(shè)計(jì)：采用HDR高阻尼橡膠支座，取3跨1聯(lián)建模進(jìn)行橋梁的結(jié)構(gòu)分析(橋梁兩端頭滑動(dòng)，中間橋墩按固定設(shè)置)：橋梁按整體空間模型建模進(jìn)行計(jì)算，樁基的邊界約束條件采用m法(即考慮橋梁與樁基的共同作用，使樁基礎(chǔ)周?chē)耐馏w對(duì)樁基的作用模擬成一系列沿深度變化的彈簧)。與普通盆式橡膠支座不同的是在選擇HDR減隔震支座時(shí)，除要考慮減隔震支座的豎向承載力外，還需考慮支座的阻尼及水平剛度。模型見(jiàn)圖3。

從計(jì)算結(jié)果看橋梁在E1與E2地震作用下，不同的隔震周期對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，況且隔震周期在1.4 s～2.1 s時(shí)地震力急劇減少，大致減少為非隔震狀態(tài)的30%。當(dāng)T=2.1 s時(shí)支座的近似位移為4.1 cm，而HDR高阻尼支座的容許位移在14 cm以上，所以其位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)在可控范圍之內(nèi)。故認(rèn)為當(dāng)隔震周期T為1.4 s～2.1 s時(shí)，隔震支座的地震力和位移的關(guān)系相對(duì)較為理想。

經(jīng)計(jì)算橋墩采用四個(gè)HDR(I)-820×920×335 mm-G1.0，橋臺(tái)采用兩個(gè)LNR(H)-820×870×260 mm，具體參數(shù)見(jiàn)表1，表2。

表1 矩形高阻尼隔震橡膠支座HDR(I)-AB-G1.0及配件構(gòu)造參數(shù)表

表2 矩形滑動(dòng)型水平力分散型橡膠支座(LNR(H)-AB)及配件構(gòu)造參數(shù)表

方案二：非隔震設(shè)計(jì)：直接將上述模型中支座采用盆式橡膠支座，經(jīng)計(jì)算選取GPZ(Ⅱ)35DX和GPZ(Ⅱ)35GD及GPZ(Ⅱ)17.5SX。

3.3 隔震設(shè)計(jì)與非隔震設(shè)計(jì)的對(duì)比

橋梁采用HDR隔震支座時(shí)，其與采用普通盆式橡膠支座對(duì)比，地震作用下減震效果很明顯。期間隔震支座能發(fā)生比較大的滯回位移，而橋墩僅僅發(fā)生較小的位移。計(jì)算結(jié)果證明：當(dāng)采用普通盆板式支座時(shí)，E2地震下支座的計(jì)算位移大于其容許位移，在地震作用下支座很有可能發(fā)生滑移、破壞甚至失效；同時(shí)主梁在地震作用下的受力也很難得到保證，最終主梁在地震作用下的變位很大而產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，甚至導(dǎo)致發(fā)生落梁。若采用HDR隔震支座時(shí)，E2作用下支座的位移經(jīng)計(jì)算小于高阻尼隔震橡膠支座所容許的位移，且有很大余地，該支座能滿足地震作用下受力與位移要求。所以，若采用了高阻尼隔震橡膠支座后，就相當(dāng)于在橋梁的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置了一層隔震，地震發(fā)生時(shí)能使上下部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)隔離而不同步。

4 結(jié)語(yǔ)

在高烈度地震區(qū)，傳統(tǒng)的抗震方法大多是利用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的自身抗力(增加截面)來(lái)抵御地震作用，橋墩剛度的增加會(huì)引起地震力增長(zhǎng)，這樣下去最終會(huì)形成惡性循環(huán)。當(dāng)橋梁設(shè)計(jì)采用普通支座進(jìn)行時(shí)，在地震作用下橋墩正常往往會(huì)進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，震后橋墩需進(jìn)行維修加固的恢復(fù)工作，這種抗震模式不建議被采納。隨著時(shí)代的發(fā)展，橋梁的減隔震設(shè)計(jì)是當(dāng)代橋梁工程必不可少的部分，我們可以借鑒以往國(guó)內(nèi)外橋梁隔震技術(shù)成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)提高我國(guó)橋梁隔震的設(shè)計(jì)水平，使橋梁減隔震水平再有一個(gè)新的突破。

[1] CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JTG/T B02-01-2008，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[3] JT/T 842-2012，公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座[S].

Application of anti seismic isolation bearing in bridge design

ZHANG Gang-wei

(Taiyuan Municipal Engineering Design and Research Institute, Taiyuan 030002， China)

This paper introduced the work principle and type of bridge isolation bearings, from the engineering example, compared the isolation bearings and common bearings, summed up the application situation of isolation bearings in practical engineering, and pointed out that the isolation bearing was a kind of advanced, economy bridge new type seismic technology, had broad application prospects.

isolation bearing, bridge, isolation design

1009-6825(2014)31-0190-02

2014-08-22

張剛衛(wèi)(1981- )，男，工程師

U443.36

A