鋼筋混凝土橋梁縱向隔震設(shè)計(jì)與安裝

熊山銘，　周桂梅（.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 贛州34000；.福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

鋼筋混凝土橋梁縱向隔震設(shè)計(jì)與安裝

熊山銘1，周桂梅2
（1.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 贛州341000；2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

通過對(duì)歐洲、美國和日本三國隔震設(shè)計(jì)方法的總結(jié)與歸納，選用兩階段水準(zhǔn)反應(yīng)譜分析方法，并采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)果校核，對(duì)實(shí)例公路橋梁進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)與校核.計(jì)算結(jié)果表明：在低水準(zhǔn)地震作用下，橋墩截面按最小配筋率設(shè)計(jì)即可；在高水準(zhǔn)地震作用下，橋墩已進(jìn)入屈服階段，屈服后采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法校核，橋梁隔震能力滿足設(shè)計(jì)要求，橋臺(tái)、橋墩處的變形能力、結(jié)構(gòu)周期、隔震能力顯著提高，是地震頻發(fā)地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的重要保障措施.

橋梁工程；隔震；反應(yīng)譜法；非線性動(dòng)力時(shí)程分析法；變形；橡膠隔震支座

0　引言

在地震烈度較高的地區(qū)，橋梁設(shè)計(jì)人員需對(duì)橋梁進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)，以確保公路橋梁在強(qiáng)震中能夠正常使用.常規(guī)的橋梁抗震設(shè)計(jì)，主要是依靠橋梁自身性能滿足抗震設(shè)計(jì)要求，如自身結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的強(qiáng)度和延性，要求構(gòu)件具有較強(qiáng)的抵抗荷載的能力；設(shè)計(jì)原則是按設(shè)防水準(zhǔn)和預(yù)期性能目標(biāo)進(jìn)行彈性體系設(shè)計(jì)，并對(duì)可能出現(xiàn)塑性鉸的位置進(jìn)行專門的延性設(shè)計(jì).橋梁隔震設(shè)計(jì)是通過隔震裝置改變結(jié)構(gòu)在受到地震動(dòng)力響應(yīng)特性，進(jìn)而減少地震輸入，以外加裝置的耗能機(jī)制隔震為主，結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件抗震為輔.此類方法的基本原理是將由傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)上的地震產(chǎn)生的地震力和能量減小至最低值，并延長結(jié)構(gòu)周期、增加能量損耗來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震［1-4］.

我國 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）對(duì)橋梁減隔震設(shè)計(jì)有詳細(xì)規(guī)定，并對(duì)減隔震裝置、分析模型和分析方法均有要求，一般情況下，宜采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法［5］.

本文總結(jié)歸納了各國的隔震設(shè)計(jì)分析方法，通過對(duì)某橋進(jìn)行計(jì)算與分析，得知，在進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)后，運(yùn)用反應(yīng)譜法時(shí)，在兩種水準(zhǔn)地震作用下橋梁位移容許值均有提高，并用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行校核，結(jié)果表明，采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法設(shè)計(jì)時(shí)，能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能.

1　各國隔震設(shè)計(jì)分析方法

1.1歐洲Euroode8—Part2規(guī)范

針對(duì)橋梁隔震的動(dòng)力響應(yīng)分析，歐洲Euroode8—Part2規(guī)范主要有反應(yīng)譜分析法和非線性動(dòng)力時(shí)程分析法，兩種方法的適用條件不一，均有相關(guān)規(guī)定［6-8］.

一般來說，反應(yīng)譜分析法包括兩種分析方法，即單自由度反應(yīng)譜分析和多自由度反應(yīng)譜分析，適用范圍略有不同，相同的適用條件如下：

1）場(chǎng)地屬于A類或B類；

2）橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)位移（d）時(shí)的有效剛度至少為0.2 d時(shí)有效剛度的50%；

3）橋梁結(jié)構(gòu)的有效阻尼比不超過10%；

4）橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與加載率、豎向和水平向荷載無關(guān)；

5）橋梁結(jié)構(gòu)從0.5 d變到d時(shí)，其恢復(fù)力不低于其上部結(jié)構(gòu)重量的0.025倍；

6）橋墩結(jié)構(gòu)的非彈性變形可忽略.

在運(yùn)用反應(yīng)譜法分析時(shí)，對(duì)應(yīng)振型周期T≥0.8T1（T1為隔震振型周期）時(shí)，根據(jù)隔震設(shè)計(jì)位移對(duì)應(yīng)的等效阻尼比ξ1對(duì)5%阻尼比的設(shè)計(jì)譜進(jìn)行修正；當(dāng)對(duì)應(yīng)振型周期T＞0.8T1時(shí)，仍采用阻尼比為5%的設(shè)計(jì)譜.阻尼比對(duì)設(shè)計(jì)譜的修正系數(shù)計(jì)算公式如下：

反應(yīng)譜分析的地震力組合采用某一方向的地震力與另一方向30%地震力進(jìn)行組合，以用于設(shè)計(jì).

對(duì)于不滿足上述條件的情況，即采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法，水平地面運(yùn)動(dòng)應(yīng)至少選擇三組時(shí)程記錄，對(duì)不同的時(shí)程記錄進(jìn)行分析，要求時(shí)程記錄的持時(shí)應(yīng)與震級(jí)和設(shè)計(jì)地震震源特性相協(xié)調(diào)，取所有時(shí)程分析結(jié)果中的最大反應(yīng)值進(jìn)行設(shè)計(jì).

1.2美國AASHTO規(guī)范

AASHTO隔震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是根據(jù)橋梁的性能分類給出不同的分析方法，其中包括等效靜力法、單自由度反應(yīng)譜法、多自由度反應(yīng)譜法和非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法.前三種方法具有相同的適用條件，即：等效粘滯阻尼比的大小來反應(yīng)隔震裝置的耗能的多少；等效線性剛度的大小來評(píng)定隔震裝置的剛度大小.這都要求隔震系統(tǒng)具有自復(fù)機(jī)制，對(duì)于不具備自復(fù)機(jī)制的隔震體系和等效阻尼比大于30%的情況，必須采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行分析［7-9］.

1.3日本《道路橋梁示方書·同解說》

在設(shè)計(jì)階段對(duì)橋型簡(jiǎn)單的橋梁采用靜力框架分析法，即對(duì)應(yīng)于兩個(gè)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)地震，采用全橋模型進(jìn)行分析，將全橋模型離散成集中質(zhì)量桿系模型，隔震支座用等效線性彈簧和等效粘滯阻尼模型來代替；同時(shí)要求在橋梁橋型復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性也復(fù)雜的橋梁，該規(guī)定要求必須采用反應(yīng)譜法或非線性動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行橋梁抗震分析［7］.

1.4各國規(guī)范對(duì)比分析

1）上述三國規(guī)范所采用的分析方法基本相同，即反應(yīng)譜法和非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法，反應(yīng)譜法包括單自由度分析法和多自由度分析法.不同的是各國對(duì)不同方法的適用條件定義存在較大差異；

2）采用等效靜力分析法、單自由度反應(yīng)譜法、多自由度反應(yīng)譜法分析橋梁抗震性能時(shí)，首先是要得到隔震裝置對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)位移的等效阻尼比和等效剛度，而采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法時(shí)，在分析初始階段隔震裝置的設(shè)計(jì)位移、等效剛度和等效阻尼比都是未知的，需在整個(gè)分析過程中進(jìn)行迭代計(jì)算；

3）當(dāng)采用線彈性反應(yīng)分析方法時(shí)，等效線性模型參數(shù)值，即等效剛度、等效阻尼比的確定是一個(gè)難點(diǎn)，選擇不同的模型，會(huì)得到不一樣的值，且這些參數(shù)對(duì)分析結(jié)果影響較大，各國都提出了設(shè)計(jì)譜修正系數(shù)值.

通過上述可知，對(duì)于橋梁隔震設(shè)計(jì)，非線性動(dòng)力時(shí)程分析法是一種常規(guī)的分析方法，但是也有一定的局限性.非線形動(dòng)力時(shí)程分析法的計(jì)算量比較大，在分析時(shí)要求分析人員具有豐富的分析經(jīng)驗(yàn)，建立符合實(shí)際且合理的分析模型，并計(jì)算得到有效的分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的技術(shù)人員來說，當(dāng)建立了不適當(dāng)?shù)哪Ｐ突蜻x用了不合適參數(shù)，有可能會(huì)得到荒謬的結(jié)果，并給設(shè)計(jì)人員造成錯(cuò)覺，影響非線性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2　隔震橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1工程概況

國道上一座三跨連續(xù)箱式梁橋，三孔跨徑均為25m，主梁采用單箱三室截面，C40混凝土，下部構(gòu)造橋臺(tái)為擴(kuò)大基礎(chǔ)、橋墩為雙柱式橋墩，C30混凝土，橋墩直徑1.2m，樁基礎(chǔ)直徑1.4m，1#和2#橋墩高7.7 m和8.6 m，0#和3#橋臺(tái)均高8.7 m，全橋安裝鉛芯橡膠隔震支座，橋型圖見圖1.

通常情況下，假定兩階段設(shè)計(jì)水準(zhǔn)反應(yīng)譜，較低水準(zhǔn)地震作用下采用的地面加速度峰值為0.2 g，較高水準(zhǔn)地震作用下采用的地面加速度峰值為0.48 g，詳見圖2.一般要求，在較低水準(zhǔn)地震作用下，除隔震裝置外，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震響應(yīng)應(yīng)為彈性，且以強(qiáng)度作為校核結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)；在較高水準(zhǔn)地震作用下，允許橋墩結(jié)構(gòu)發(fā)生非彈性變化，但橋梁整體結(jié)構(gòu)仍能保持正常使用功能，并要求校核指標(biāo)值不超過初始延性值的1.5倍［10］.

2.2低水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

根據(jù)初步選定的鉛芯橡膠隔震支座，由彈性反應(yīng)譜分析方法計(jì)算各橋墩分擔(dān)的慣性力與支座變形，分析模型見圖3.

采用多自由度反應(yīng)譜分析方法分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，假定橋墩不許發(fā)生屈服，分析過程是一個(gè)迭代的過程，在分析中，僅第一周期（即隔震周期）對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜值考慮了阻尼比的折減，其它高階振型對(duì)應(yīng)的阻尼比均假定為5%，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1.根據(jù)表1中計(jì)算結(jié)果，結(jié)合正常使用條件，給出其中一個(gè)橋墩單柱的設(shè)計(jì)配筋，橋墩單柱對(duì)應(yīng)彎矩—曲率曲線、軸力—彎矩包絡(luò)圖見圖4、圖5.采用隔震設(shè)計(jì)后，橋墩所受地震力作用明顯減小，橋墩截面配筋只需滿足規(guī)范要求的縱筋最小配筋率即可.

圖1　橋型布置圖

圖2　兩個(gè)水準(zhǔn)設(shè)計(jì)譜

圖3　橋梁簡(jiǎn)化分析模型

表1　低水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果

圖4　橋墩單柱截面彎矩-曲率圖

圖5　橋墩單柱截面軸力-彎矩圖

2.3高水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

首先假定橋墩沒有屈服，按多自由度彈性反應(yīng)譜方法進(jìn)行分析，表2給出在該水準(zhǔn)地震作用下縱橋向結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值.從表2中分析結(jié)果可知，在該水準(zhǔn)地震作用下，按彈性反應(yīng)譜分析得到橋墩單柱墩底彎矩為5894.5（kN·m），而單個(gè)墩柱的屈服彎矩為3595.6（kN·m），得知橋墩已進(jìn)入屈服.故宜采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行分析，以同時(shí)考慮橋墩、支座的非線性特征.

2.4非線性動(dòng)力時(shí)程分析校核

由前述分析可知橋墩已進(jìn)入屈服，取與圖給出的設(shè)計(jì)譜相協(xié)調(diào)的人工合成加速度時(shí)程及與該類場(chǎng)地相匹配的實(shí)際地震記錄進(jìn)行分析，分析模型仍取圖3.計(jì)算分析結(jié)果見圖6、圖7.表3給出了不同地震時(shí)程作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的對(duì)比.從分析結(jié)果可知，橋墩高水準(zhǔn)地震作用下，即使受到輕微損傷，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足預(yù)期的使用要求.

較高水準(zhǔn)地震作用下隔震支座性能校核值見表4，從表中結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的隔震支座性能滿足要求.比較全面的隔震支座校核尚應(yīng)包括其在使用條件下的性能校核，而且在實(shí)際工程應(yīng)用中，按照規(guī)范要求，還應(yīng)對(duì)實(shí)際使用的隔震支座進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)檢查，校核其是否滿足設(shè)計(jì)要求的指標(biāo).

表2　高水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果

表3　在高水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果

圖6　橋墩彎曲時(shí)程曲線

圖7　橋墩處支座與墩頂變形比較

表4　高水準(zhǔn)地震作用下隔震支座性能校核

3　隔震裝置設(shè)計(jì)與安裝

根據(jù)隔震裝置的工作原理，隔震裝置的布置位置主要有兩種，一種是布置在橋墩頂部，另一種是布置在橋墩底部.通常情況下，工程技術(shù)人員將隔震裝置安裝在橋墩頂部，用于降低上部結(jié)構(gòu)的慣性力；橋梁上部構(gòu)型類似于一個(gè)倒置的鐘擺結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔脮r(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的慣性力主要集中在上部結(jié)構(gòu)中，此時(shí)通過在上部構(gòu)件與下部構(gòu)件之間安裝隔震裝置，可以有效的降低上部構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力，使得傳遞到下部構(gòu)件的能量降低，達(dá)到保護(hù)橋墩、基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)的目的.而對(duì)于橋墩墩高較高、質(zhì)量較大的橋梁，橋梁自身存在振動(dòng)特性，且當(dāng)場(chǎng)地條件允許時(shí)，宜考慮在橋墩底部安裝隔震裝置，類似于建筑結(jié)構(gòu)中的隔震裝置，以求較大幅度的降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)［11-13］.

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，國際上在墩底安裝隔震裝置的橋梁較少，數(shù)量屈指可數(shù)；而多數(shù)已安裝隔震裝置的橋梁，是由隔震裝置代替支座，安裝在橋墩頂部，該法較為經(jīng)濟(jì)可行.最常用的隔震裝置為橡膠隔震支座，包括鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠支座等橡膠阻尼裝置，這些裝置的原理都是通過降低橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，并給設(shè)計(jì)人員在如何分配水平地震力提供的空間.通過安裝在剛度較大的橋墩上的橡膠支座，降低了橋墩所承受的地震力，進(jìn)而降低了橋墩的延性要求，提高了抗震能力［14-17］.可見，可以通過調(diào)整不同橋墩處的隔震裝置來合理調(diào)配下部構(gòu)件所需承擔(dān)的地震力，規(guī)避基礎(chǔ)地質(zhì)條件差或橋墩受力相對(duì)較弱情況下給橋梁帶來的風(fēng)險(xiǎn)，改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提升整個(gè)體系的抗震能力.

橋梁進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)后，應(yīng)確保連續(xù)橋梁具有良好的連續(xù)性，容許在不連續(xù)墩處產(chǎn)生一定量的位移；同時(shí)嚴(yán)格控制伸縮縫的施工質(zhì)量，避免伸縮縫被雜物阻塞，影響隔震減震效果.由于支座有使用年限，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)隔震裝置進(jìn)行定期維護(hù)和必要更換的要求.

4　結(jié)論

雖然各國的隔震設(shè)計(jì)方法存在差異，但是基本原理基本一致，修正系數(shù)取值根據(jù)不同的橋型和設(shè)計(jì)要求而變化，且對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大.本文所采用的分析方法為兩階段設(shè)計(jì)過程，通過對(duì)低水準(zhǔn)與高水準(zhǔn)兩種地震作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，采用了隔震技術(shù)后，在遇到高水準(zhǔn)的地震作用時(shí)，延長了橋梁的結(jié)構(gòu)周期，增加了傳遞能量的能力，明顯降低了地震力作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的影響，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行隔震橋梁施工時(shí)，應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)采取必要的保障措施，確保橋梁使用安全.

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Design and installation of longitudinal vibration isolation of reinforced concrete bridge

XIONG Shanm ing1，ZHOU Guimei2
（1.Jiangxi Province Gannan Highway Survey and Designing Institute，Ganzhou 341000，China；2.Fujian Communications Planning and Design Institute，F(xiàn)uzhou 350004，China）

Through the summary of the isolation design methods in Europe，America and Japan，this study chooses two-stage standard response spectrum analysismethod，uses the nonlinear dynamic time history to check the results，and designs and checks the actual highway bridge isolation.The results show that:in the low level of seismic action，the pier cross-section can be designed according to theminimum reinforcement ratio；In the high level of seismic action，the pier has entered a stage of yield，and after yield，with the method of nonlinear dynamic time history analysis，the bridge isolation ability can be checked to meet the design requirements.The deformation ability of abutment and pier，the periodic of structure，and capacity for isolation are greatly enhanced.The proposedmethod is an important safeguard of seismically active area of bridge design. Key words:bridge engineering；isolation；response spectrum method；the nonlinear dynamic time history analysismethod；deformation；the rubber isolation bearing

U441.3

A

2095-3046（2015）05-0049-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.009

2015-04-27

教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-10-0250）

熊山銘（1987-），男，工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)與科研等方面的研究，E-mail:330723314@qq.com.