高墩橋梁減隔震設計的一種新思路—新型高墩隔斷結構體系

劉世佳 田圣澤 袁萬城

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092)

1 引言

隨著中國西南、西北山區高等級公路的興建，由于地形復雜，山高坡陡，很多橋梁不得不跨越河谷和深溝。調查表明，在已建成及正在設計規劃中的高等級公路中，橋墩超過40 m的高墩橋梁占橋梁總數的40%以上。這些高墩橋梁多為簡支梁橋、連續梁橋和剛構橋［1］，其橋墩高度通常高達數十米甚至上百米。汶川大地震的橋梁震害，引起廣大橋梁設計者對山區高墩橋梁抗震的重視。目前高墩普遍采用延性設計，結構的損壞不可避免，使得災后對橋梁的修復變得困難。雖然減隔震設計可以避免結構損傷，但高墩橋梁下部結構較柔，不宜采用減隔震設計［2］。為了提高高墩橋梁采用減隔震技術的適用性，本文提出了一種新型高墩隔斷結構體系，并以某高墩橋梁為背景，從支座滯回耗能和結構的地震響應方面對比研究了高墩橋梁常規結構體系和采用新型高墩隔斷結構體系的減隔震設計的抗震效果。

2 高墩橋梁應用減隔震技術的探討

非減隔震體系依靠結構、構件自身具有的強度、延性、耗能能力來抵抗地震作用，或者選定結構構件的特定部位屈服形成塑性鉸以降低剛度延長結構周期進而減小地震反應，同時利用塑性鉸的滯回特性提供耗能能力。因此結構構件的損傷是不可避免的，震后的修復工作比較麻煩。而減隔震技術通過設置減隔震裝置不但可以優化結構抗震性能，而且可以避免結構構件的損傷，當減隔震裝置發生損傷時，替換比較簡單。有些情況下減隔震設計還是解決實際結構抗震問題的唯一有效途徑［3］。

減隔震橋梁通常通過以下三種方式來實現減少結構反應的目的:一是利用減、隔震裝置的柔性來延長結構體系的周期，減小結構地震反應(圖1);二是利用阻尼器或耗能裝置，來控制由于周期延長而導致的過大的墩、梁的相對位移(圖1);三是取消固定墩，使各墩共同分擔水平地震力，改善橋梁的內力分布。

圖1 結構的加速度譜和位移譜Fig．1 Acceleration response spectrum and displacement response spectrum

減隔震技術主要采用減隔震裝置來將結構或構件與可能引起其破壞的運動隔離或者依靠自身能力減小破壞作用:如使用減隔震支座將橋梁上部梁體在地震作用下產生的巨大慣性力通過放開梁體和橋墩水平約束、使兩者產生相對運動的方式隔斷開;或是通過減隔震裝置自身的滯回耗能特性耗散輸入結構的地震能;或是當位移過大通過具有限位能力的裝置(如拉索減震支座)保證位移響應控制在所需范圍內。這些效果均以減隔震裝置在地震作用下充分“動”起來為前提。如果減隔震裝置在地震作用下的力學狀態與靜力狀態一致或相似，即使減隔震裝置自身性能再優良，也起不到預期的減隔震效果，而高墩橋梁回避減隔震設計的原因之一就在于減隔震裝置在高墩柔性體系下性能難以得到充分的發揮，所以一般高墩橋梁普遍使用延性抗震的設計方法。

通常情況下，高墩橋梁考慮采用減隔震技術時，對減隔震裝置的位置設計沒有考慮高墩柔性結構和矮墩剛性結構的差異而一致采用放置墩頂的常規設計，這種設計方式難以擺脫減隔震裝置在結構體系較柔的高墩橋梁使用時性能發揮欠佳的困境。

3 新型高墩隔斷結構體系

針對高墩橋梁的結構特點，擺脫減隔震裝置常規放置位置的約束，通過合理設置減隔震裝置的安放位置充分發揮減隔震裝置的抗震性能，可以作為優化高墩橋梁抗震設計方法的有效途徑之一。目前已有不少相關研究，如可以避免橋梁結構在地震中損傷的基底隔震技術已成為研究熱點之一［4－5］，但基底隔震技術地震作用下非線性程度很高，精確有效的數值模擬還難以實現。

考慮高墩橋梁的結構特點及減隔震裝置的工作機理，本文提出一種新型高墩隔斷結構體系(圖2):將高墩在合適的位置分隔成兩部分，上部分與梁體固結形成框架式結構，將原本設在墩頂的支座下移至橋墩的隔斷處，并在隔斷處等所需位置設置合理的構造措施以滿足整個結構的正常使用功能。

高墩隔斷體系將減隔震支座從難以發揮作用的墩頂調整到橋墩中間，在不改變橋墩原有截面和滿足道路設計高程的前提下，提高了橋梁下部結構的剛度，有效調節了整個結構的剛度和質量的分配，支座可以發揮預期的減隔震性能，這樣，高墩橋梁采用減隔震設計就成為了可能［6］。同時，由于減隔震支座所在位置的高度降低，地震作用下支座水平力在承臺處產生的彎矩大大減小，降低了墩底和樁頂的地震需求。

圖2 新型高墩隔斷結構體系示意圖Fig．2 High-pier-partitioned structure system

除了抗震性能上的提高外，新型高墩隔斷結構體系讓梁式橋支座上部的結構設計更富于變化。如圖2所示，在上部結構加上弧形肋，不但加強了上部結構的整體性，地震作用下上部結構的受力得到優化，而且原本形式單一的梁式橋變得富有韻律，與山區環境更和諧統一。

4 兩種體系的橋梁模型的建立

以某高墩橋梁為背景建立SAP2000有限元分析模型，全橋孔跨布置為4×30 m，上部結構為等高的混凝土箱梁，邊跨與橋臺相連。下部結構為帶橫系梁的雙柱墩，墩高30～35 m。基礎采用分離式承臺，承臺下面設置四根直徑1．2 m的鉆孔灌注樁。兩種結構體系的橋臺和墩頂的支座均為目前使用較廣的鉛芯橡膠支座。相較于高墩常規減隔震體系，新型結構體系的三個橋墩在中墩20 m高程處隔斷，在隔斷處放置鉛芯橡膠支座，上部橋墩與主梁固接，形成框架式結構。

SAP2000動力分析模型采用三維空間有限元分析模型(圖3)，其中主梁和橋墩用框架單元模擬，樁基礎采用等效的土彈簧單元模擬樁－土的相互作用，采用UCfyber程序計算樁基截面能力。用雙線性模型代替鉛芯橡膠支座的滯回模型，采用非線性連接單元模擬。地震波采用安評報告給出的反應譜生成的七條人工地震波，地震波的加速度峰值為0．24 g，地震響應取七條波的平均值。模型進行非線性時程分析時，分別考慮縱橋向和橫橋向地震作用。

圖3 兩種體系的有限元模型Fig．3 Finite element model softwo systems

5 兩種體系的縱橋向地震響應分析

5．1 支座滯回耗能分析

從支座滯回耗能來看，高墩隔斷體系的支座耗能明顯優于常規體系，前者為后者的3．19倍至60．90倍(表1)，從兩種結構體系5#地震波作用下P43橋墩左側支座的滯回曲線(圖4)也可以清晰地看出，高墩隔斷體系的支座滯回曲線更為飽滿，鉛芯橡膠支座的減隔震性能得到了充分的發揮，而常規體系的支座在地震作用下大部分時候處于彈性工作階段，并沒有發揮其減隔震的技術優點。

表1 每條地震波的支座的滯回耗能Table 1 Hysteresis energy dissipation of bearings in each seismic wave kJ

地震作用下，減隔震體系的滯回耗能占了結構地震能量總輸入的很大一部分。文獻［7］研究表明:鉛芯橡膠支座隔震連續梁橋80%左右的地震輸入能被鉛芯橡膠支座的滯回耗能所消耗。同時，文獻［8］研究表明，當結構的自振周期與場地特征周期相近時，結構單位質量的地震能量反應曲線出現峰值。而兩種減隔震體系均為長周期結構，結構基本周期與場地特征周期相距較遠，可以認為結構單位質量的地震輸入能差別不大，而支座耗能的表現差異明顯。

5．2 結構位移響應分析

縱橋向地震動輸入時，高墩隔斷體系橋墩處支座位移為0．09 m左右，常規體系為0．05 m左右，僅看數值，后者的梁墩相對位移優于前者，但是后者的支座并未發揮有效性能。高墩隔斷體系的目的之一是讓常規高墩體系下不能發揮有效減隔震作用的減隔震支座進入減隔震狀態，而支座的位移仍能滿足支座設計位移要求。并且，高墩橋梁結構較柔，橋墩自身的位移響應也較大，當比較高墩隔斷體系和常規體系梁體位移時，前者計算結果為0．17 m，而后者為0．24 m。橋臺處支座位移基本和梁體位移接近，當關注橋臺處支座的位移響應時，常規體系的支座位移不但大于高墩隔斷體系，而且已經超出鉛芯橡膠支座的設計位移0．2 m，此時常規體系的橋臺支座已經破壞而高墩隔斷體系的支座仍能正常工作。橋臺位置支座的破壞，很可能造成梁體與橋臺發生碰撞、梁體脫空甚至落梁，橋梁難以在震后繼續使用。而高墩隔斷體系的橋臺支座滿足支座設計要求，可以避免以上災害發生。

圖4 兩種結構體系支座滯回曲線對比Fig．4 Comparison of hysteresis energy dissipation of two systems

5．3 橋墩及基礎的內力響應分析

高墩隔斷體系縱橋向的內力響應與常規體系相比，橋墩墩底彎矩前者比后者降低了30% ～43%(圖5)。同時新型結構體系上部結構放開，上部橋墩的墩底與常規體系同高程橋墩截面的彎矩值也大大減小，前者僅為后者的39% ～43%(圖6)。

地震作用下考慮基礎的安全水準時，通常要把地震動軸力對基礎能力的影響考慮進去。所以考慮地震動軸力影響的樁基的截面抗彎能力與彎矩需求的比值體現了基礎綜合多種地震響應影響下的安全富余度，更能體現出結構抗震性能的優劣。從兩種結構體系各個基礎最不利單樁的能力需求比(圖7)可以看出，隔斷體系的單樁能力需求比比常規體系提高了28% ～75%，也就說，同樣水準的地震作用下，隔斷體系的基礎能力需求比常規體系更低。

6 兩種體系的橫橋向地震響應分析

6．1 支座滯回耗能和結構位移響應分析

橫橋向地震動輸入時，兩種結構體系的橫橋向的支座位移為0．09 m左右;梁體位移差別也不大，高墩隔斷體系的梁體位移為0．159 m，而常規體系為0．174 m。因為雙柱墩設置橫系梁增強了同排高墩的橫向聯系，雙柱墩的橫橋向剛度遠大于縱橋向剛度，已有別于縱橋向的柔性結構特點，支座的耗能的特性得以發揮。兩種結構的橫橋向地震作用下的支座滯回耗能差別不大，高墩隔斷體系七條波的平均耗能僅比常規結構體系提高19%左右。

6．2 系梁的內力響應分析

橫系梁增強了雙柱墩的橫向剛度，但這是以橫系梁承受較大的地震力為代價。如圖8所示，地震作用下，常規體系的橫系梁彎矩遠遠高于新型結構體系，前者高達后者的1．6倍。在這么大的作用力下，橫系梁早已屈服甚至破壞。橫系梁破壞后，同排兩個橋墩橫向聯系變弱甚至完全失去。橋墩變柔，橫橋向的減隔震有效性必然降低。高墩隔斷體系通過將減隔震裝置調整到合理的位置，從而避免結構的重要構件在地震作用下的破壞。從這點看，高墩隔斷體系符合減隔震技術的設計理念。

圖5 兩種體系縱橋向墩底彎矩Fig．5 Comparison of longitudinal bending moment at the bottom of piers of two systems

圖6 兩種體系縱向橋墩隔斷處彎矩Fig．6 Comparison of longitudinal bending moment at the partitioned section of two systems

圖7 兩種體系縱向單樁能力需求比Fig．7 Comparison of longitudinal rate of capacity and demancl of two systems

6．3 橋墩及基礎的內力響應分析

橫橋向地震作用下，高墩隔斷體系的下部橋墩墩底的彎矩、上部橋墩墩底同高程橋墩截面的彎矩和單樁的能力需求比均優于常規體系:前者下部橋墩墩底彎矩僅為后者的70% ～76%(圖9);前者上部橋墩墩底僅為后者同高程橋墩截面彎矩的39% ～56%(圖10);單樁的能力需求比前者比后者提高了25% ～58%(圖11)。

圖8 兩種體系橫向橋墩系梁的彎矩值Fig．8 Comparison of transverse bending moment of collar beams of two systems

圖9 兩種體系橫向墩底彎矩Fig．9 Comparison of transverse bending moment at the bottom of piers of two systems

圖10 兩種體系橫向橋墩隔斷處彎矩Fig．10 Comparison of transverse bending moment at the partitioned section of two systems

圖11 兩種體系橫向單樁能力需求比Fig．11 Comparison of transverse rate of capacity and demancl of two systems

7 結論

(1)高墩橋梁采用新型高墩隔斷結構體系進行減隔震設計，通過體系優化，合理調整減隔震支座的安放位置，將“高墩”柔性體系變剛性體系，地震作用下，減隔震裝置充分發揮其預期設計性能，支座的滯回曲線飽滿，耗能效果突出。

(2)新型高墩隔斷結構體系不但可以合理分配結構剛度、橋墩墩身質量，有效控制梁體和橋臺處支座位移，而且由于支座位置的降低，支座水平力到墩底的距離大大減小，墩底處的彎矩大幅減小，降低了橋墩和基礎的地震需求。同時，橫橋向地震作用下還可以避免結構關鍵構件橫系梁的破壞。

(3)新型高墩隔斷結構體系的結構形式新穎，符合減隔震設計理念，應用于高墩橋梁的減隔震設計具有較為突出的優點，但目前還只停留在概念設計階段，還有很多問題欠缺專門研究，比如橋墩中間支座上部結構的穩定性及落墩問題、“橋墩－支座－橋墩”段的構造連接細節問題等，但新型高墩隔斷體系為高墩橋梁采用減隔震技術提供了新的思路，拓展了減隔震技術的應用范圍。

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