橋梁抗震設計體系論述及高噸位橋梁減隔震設計方法優化研究

摘??要：抗震設計體系分為延性設計體系和減隔震設計體系，本文對橋梁減隔震設計體系進行了論述及總結，并針對現行的高噸位橋梁采用的摩擦擺減隔震支座，提出了一種改進的減隔震設計思路，經過計算分析證明了該改進支座具有一定的經濟效益與可操作性。

關鍵詞：抗震設計;減隔震設計;減隔震支座

中圖分類號：U442.5+5????文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

1 概述

橋梁在交通運輸中扮演著重要的節點樞紐功能，當地震發生后，是控制抗震救災的瓶頸節點，一旦損壞，往往修復很困難，等同切斷了抗震救災的生命線，因此保證橋梁結構在地震下的安全尤為重要。汶川地震、玉樹大地震的發生，給國民帶來了慘痛的教訓，我國高度重視建筑抗震設計相關的研究工作，關于橋梁的減隔震設計研究工作也在同步積極開展。根據我國現行的橋梁設計規范中的基本規定，抗震設計原則為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，為滿足此設計原則，需要進行抗震設計，相關的抗震設計體系分為延性設計體系和減隔震設計體系。

2 抗震設計體系

2.1 延性設計體系

延性抗震設計體系的核心是“抗震”，即讓結構自身抵抗地震作用，保證結構的整體安全。延性抗震設計體系由剛性結構體系和柔性結構體系演化發展而來，在設計中需要協調結構的強度和剛度，保證結構在地震過程中從彈性進入到塑性狀態始終具有較大的延性，從而能夠消耗結構能量，達到損壞但不倒塌的效果。

在具體的工程設計中，為例達到“中震可修”抗震設防要求，部分節點出現塑性鉸，但結構的承載能力卻沒有降低，使得橋梁自身能夠緩慢的吸收地震能量;同時，在“大震不倒”的設防要求中，結構的塑性鉸節點又具有可控的變形，不至于倒塌。延性抗震設計體系能充分的利用結構本身材料的特性，經濟合理。但是，結構體系的損傷無法避免，同時其理論體系還在發展過程中，計算體系復雜，在實際工程的設計過程中，對設計人員的職業素質和技術水平要求較高。

2.2 減隔震設計體系

相對于延性設計體系是在地震作用下被動的抵御地震災害，減隔震設計體系則是主動的消耗地震能量。在地震過程中，通過減隔震裝置的設置將地震作用和結構構件隔離，并通過減隔震裝置來消耗地震能量，減小結構構件在地震中承受的破壞外力的大小。

地震作用下的加速度反應譜如圖1所示，位移反應譜如圖2所示，反映了在不同阻尼作用下，地震加速度和位移大小隨地震周期的變化規律。

因此，延長結構的周期、增加結構的阻尼，能夠有效的降低地震過程中結構的位移和加速度響應。減隔震技術即通過延長結構的周期，達到減少地震作用的目的。鑒于減隔震技術具有能夠有效減輕地震作用、提升房屋建筑工程抗震設防能力同時概念清晰、過程可控等優點，各建設主管部門正在有計劃，有部署，積極穩妥的推廣應用。

3 橋梁減隔震結構裝置

按照相關設計規范的規定，常用的橋梁減隔震裝置主要包括：分離型減隔震裝置和整體型減隔震裝置。分離型減隔震裝置主要是將常規支座和阻尼器結合起來使用，例如橡膠支座分別和摩擦阻尼器、金屬阻尼器、粘性材料阻尼器組合使用等。分離型減隔震裝置安裝工藝復雜，構件之間需相互協調工作，且傳力路徑不明確，所以，在橋梁結構實際工程中應用較少。整體型減隔震裝置即減隔震支座，是指支座本身除了具有支撐上部結構的功能外，支座內部還有相應構件具有消耗地震能量的作用，常用的整體型減隔震裝置主要有高阻尼橡膠支座、摩擦擺減隔震支座、鉛芯橡膠支座等。與分離型減隔震裝置相比，整體型減隔震裝置構件組成簡單，減隔震路線清晰，所以，在目前的橋梁抗震設計中應用較廣。

4 減隔震支座

4.1 橡膠型減隔震支座

橡膠型減隔震支座的組成部分主要包括鋼板和橡膠片。鋼板的功能主要是限制橡膠片的橫向變形，同時增加支座的豎向剛度;橡膠的功能則主要是耗能，橡膠將結構的上、下部隔離開，通過橡膠的變形來消耗地震作用。鉛芯橡膠支座即在支座中心放入鉛芯，提高支座的阻尼性能，使得橡膠支座的減隔震效果更加明顯。成本低、安裝方便、構造簡單、受力明確、加工容易，因此，橡膠型減隔震裝置在橋梁結構中廣泛應用。但是，橡膠型減隔震裝置也有其自身明顯的缺點，特別是在高寒冷地區，對于噸位較大的橋梁結構不適用，由于其豎向最大承載力一般控制住10MN作用，所以不適用于一些噸位較大的橋梁結構。

4.2 摩擦擺型減隔震支座

摩擦擺減隔震支座是通過支座本身的構造特性來實現減隔震功能，其減震原理是在地震過程中，支座上下可以在曲面上自由的擺動，在自重作用下實現自復位的功能。摩擦擺減隔震支座利用鐘擺原理實現減隔震功能，通過滑動界面摩擦消耗地震能量實現減震功能，通過球面擺動延長梁體運動周期實現隔震功能。摩擦擺支座中設置有抗震銷釘，在小震或中震作用下，抗震銷釘不剪斷，僅主墩承受地震作用，可控制結構的位移;在大震作用下，摩擦擺支座中的抗震銷釘剪斷，固定墩轉化為活動墩，全聯承受地震作用，其位移也相應增大。摩擦擺支座能適應較大的噸位，在大跨度橋梁設計中應用更為廣泛。

基于上述的摩擦擺減隔震支座抗震原理，本文以實際工程為例，提出了摩擦擺支座抗震設計的優化方法，并與常規的設計思路進行了對比。

5 工程背景

5.1 總體布置

河南鄭州某工程采用了30+50+30m的預應力砼現澆大箱梁，橋梁橫斷面布置為雙六，橫斷面寬度為25.5m。橋梁的立面布置圖如圖3所示，橫斷面布置如圖4所示。

5.2 構造設計

橫梁整體式箱梁斷面為大挑臂弧形斜腹板箱梁斷面形式，雙向橫坡，跨中截面高度為200cm，中墩截面高度為300cm，以二次拋物線形式過渡。橫斷面兩側挑臂長度均為5.4m，挑臂與外側腹板弧線半徑為7.5m，外側腹板與箱梁底板倒圓弧半徑為3.75m，挑臂端部厚度為0.2m;橋面板厚度為220mm，底板厚度為220mm～400mm，腹板厚度為400mm～600mm。下部結構采用曲線“H”型雙肢墩，墩身上段為稍微外展，中墩平均高度為8.35m。立柱尺寸為200×240cm（橫橋向×順橋向）。

5.3 抗震設計

鄭州地震設計分組為第二組，抗震基本烈度為Ⅶ度，抗震措施設防烈度為Ⅷ度，地震動加速度峰值為0.15g。根據《城市橋梁抗震設計規范》規定：抗震設防分類為乙類，抗震設計方法為A類。

本工程的抗震體系采用整體型減隔震裝置，為滿足支座的噸位要求，采用的是摩擦擺減隔震支座，在較高的墩上設置固定支座，使較高的墩成為固定墩。支座布置如圖5所示。

6 優化抗震設計思路

6.1 常規抗震設計思路

如前文所述，摩擦擺支座中設置了抗震銷釘，在E1地震作用下，抗震銷釘不剪斷，僅靠橋梁的固定墩來承受全部地震荷載，其他墩不承受地震荷載作用，存在如下不足：

（1）固定墩的構件設計加強較多。因為，僅固定墩承受全部E1地震荷載，固定墩的立柱配筋以及對應的下部樁基設計均需要大大加強，不經濟。（2）支座噸位較大。支座的水平承載力是豎向承載力的0.1倍左右，為了滿足E1地震下水平承載力的要求，需要對應加大支座的規格，但對正常使用狀態下的豎向承載力來說，其安全儲備是非常多的，不經濟。（3）非固定墩需要參與承受E2地震下的作用，其配筋仍要滿足地震下荷載的要求，同樣會造成不必要的浪費。

6.2 優化抗震設計思路

基于上述問題及摩擦擺型減隔震支座的原理，本文提出了一種優化的減隔震設計方法，固定墩即是在正常使用狀態下的固定墩，在E1地震作用下抗震銷釘即剪斷，全聯橋墩均參與到減隔震作用中來，減少固定墩的材料用量，優化減隔震的抗震思路和過程。

6.3 兩種抗震設計思路計算對比

計算軟件采用Midas Civil，下部基礎按照剛度相同的邊界條件約束（經工程實際證明，能夠滿足抗震設計的精度要求），上部采用三維梁單元，實際模擬立柱的尺寸和高度等參數，抗震計算模型如圖6所示。

橋墩橫向設置兩個支座，E1地震作用下，固定墩承受的全部水平力約為580t;E2地震作用下，固定墩承受的全部水平力約為1220t。本工程實際設計中，為了滿足E1地震作用下抗震銷不剪斷，E2地震作用下抗震銷剪斷，固定墩支座的噸位選用55MN，水平承載力為55t，活動中墩選用支座噸位27.5MN。按照優化的抗震設計思路，固定中墩和活動中墩均選用27.5MN規格的支座。在靜力作用下，僅固定中墩承受靜力水平荷載，在E1和E2作用下，固定中墩抗震銷釘剪斷，轉化為活動中墩，全聯抵抗地震力。

經過結構計算分析，按照優化的抗震設計思路進行本工程的抗震設計，可在以下方面減少材料用量：（1）固定墩的支座噸位從55MN降低到27.5MN。（2）固定墩橋墩的主筋由2層32@100減少到1層32@100。（3）固定墩樁基設計為15根直徑150cm的鉆孔灌注樁，樁長由56m減少到42m。

6.4 優化的抗震設計思路問題

（1）結構位移較大。減隔震的中心思想是通過減隔震構件自身的變形來降低地震力響應，按照優化的抗震思路，則會大幅度增加橋梁的變形。通過計算分析，本工程的縱向梁端位移在E1地震下為5.7cm，在E2地震下為13.6cm。可見E2地震下的變形非常大，需要采用相應規格的伸縮裝置才能滿足此變形。（2）E1地震作用后，需要更換支座。相對E2地震作用，E1地震發生概率更大。常規設計思路E1地震下不需要更換支座，僅E2作用下需要更換支座。優化的設計思路下，E1、E2作用下均需要更換支座，增加了養護維修的費用。

7 結語

本文對現行的抗震設計體系進行了論述及總結：延性設計體系雖然經濟合理，但對設計人員的要求較高，并且結構自身在地震過程中會產生損傷，在現行的橋梁結構設計方法中采用較少;減隔震設計體系受力明確，效果明顯，在橋梁減隔震設計中采用的較多。此外，針對目前高噸位的橋梁所采用的的摩擦擺減隔震支座，從減隔震原理出發，提出了一種綜合經濟效益合理、又切實可行的優化設計思路，供相關設計人員思考和采用。

參考文獻

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收稿日期：2019-05-06

作者簡介：周濤（1985—），男，山東萊陽人，碩士，畢業于同濟大學，工程師，研究方向：橋梁。

Discussion on the Seismic Design System of Bridges and Study on the Optimization of Seismic Isolation Design Method for High Tonnage Bridges

ZHOU Tao

（Shanghai Institute of Political and Transportation Design Co.， Ltd. ， Shanghai 200030）

Abstract：?Seismic design system is divided into ductile design system and isolation design system，?in this paper， the bridge isolation design system is discussed and summarized，?in view of the friction pendulum isolation bearing used in high-tonnage bridges， an improved seismic isolation design idea is proposed，?the calculation and analysis prove that the improved bearing has certain economic benefits and operability.

Key words： Seismic design; Seismic isolation design; Seismic isolation bearing