分析隔震設計在橋梁設計中的重要作用

梁 燕

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

某橋梁工程總長91 m，橋面設計寬度為28 m，結構采用雙層鋼桁架，下部結構采用混凝土墩，1#墩采用固定墩，安裝固定支座，2#墩采用自由墩，安裝滑動支座。所有橋墩均為柱式墩，兩側和中間墩均為矩形墩，尺寸分別為1.2 m×1.2 m、1.2 m×2.1 m，墩身的高度相同，均為6.8 m?，F結合該橋梁工程實際情況，對其減隔震設計作如下深入分析。

2 橋梁減隔震設計

在橋墩的抗震設計過程中，一般采用兩種方法，即延性設計與減隔震設計。隔震主要目的在于分離結構和可能產生破壞影響的地面運動。想要實現這一目標可通過對結構自身基本周期適當延長來實現，減小結構自身地震力，通過結構周期適當延長來實現減小地震力的目標；為對變形進行控制，可在結構當中安裝阻尼裝置，以此提高結構自身阻尼，起到減小結構位移作用。

針對該橋梁，決定將固定墩取消，并安裝具有減隔震作用的支座，這樣能在分散地震力實際分布的基礎上，對上部結構進行隔離，從而有效減小結構的地震力。

采用以上減隔震方法的橋梁，在E2地震持續作用后，耗能部位處在連接構件，如支座和專門的耗能裝置，這樣能防止橋梁的上、下部結構與基礎產生損傷，處于彈性工作范圍之內，無需在E1條件下實施地震計算?；诖?，本次地震反應分析都采用E2條件下的模型，計算模型采用三維空間有限元分析模型。橋墩在進行隔震之前和之后的對地震作用的相應情況為：(1)隔震之前，固定墩底部彎矩和剪力分別為12 690 KN·m、2 062 KN，頂部位移為3.1 cm；自由墩底部彎矩和剪力分別為2 123 KN·m、336 KN，頂部位移為0.51 cm。(2)隔震之后，固定墩底部彎矩和剪力分別為2 387 KN·m、395 KN，頂部位移為0.57 cm；自由墩底部彎矩和剪力分別為2 168 KN·m、358 KN，頂部位移為0.52 cm。

進行減隔震設計后，通過對地震響應的對比，采用固定墩時的底部彎矩在安裝具有減隔震作用的支座以后，明顯變小，自由墩底部彎矩小幅增加；兩側橋墩底部彎矩沒有太大的變化，而且都處于抗力范圍之內，這說明在E2條件下墩身依然處于彈性工作范圍，滿足規范提出的要求。

根據減隔震設計基本原理可知，在進行了減隔震設計之后，將使結構位移明顯增加。以上設計結果也驗證了該點，即隔震設計之后上部結構實際位移為10.2 cm，比減隔震設計之前實際位移相對較大。

3 橋梁減隔震設計的優化

若橋梁的抗震設計過程中采用的是減隔震方法，則確定適宜的支座參數為重要課題，對于特定橋梁結構體系，應使用與之相匹配的橋梁支座，使用參數和結構相匹配的支座，能在最大長度上發揮支座的效能，起到減小地震作用對橋梁造成的破壞的重要作用。

對結構在非線性地震作用下的響應分析重點是要建立滯回模型，在本次分析工作中，主要采用的是Bouc-Wen模型。根據以往的實驗結果，支座模型主要由三個參數進行控制，即為屈服力、屈服前和屈服后的剛度。按照相關技術規范，第二剛度系數為0.15左右。當支座參數有所不同時，橋梁對地震作用的相應將有明顯差別。為此，對不同參數情況下的模型，實施動力時程分析與研究(動力時程分析是對結構物的運動微分方程直接進行逐步積分求解的一種動力分析方法，本身就是一種分析方法)，在橋梁的計算模型當中，上、下部結構都視為處于彈性狀態。

為明確支座參數對結構地震作用響應造成的影響，以支座特點為依據，根據工程的實際狀況，對6種具有減隔震作用的支座進行分析，其參數和地震響應結果如表1所示。

表1 不同支座的參數和的地震響應結果

根據表1結果可知：上部結構產生的位移在102～129 mm范圍內，最大和最小值的差值百分比為26.5%；墩身底部的彎矩在1 595～2 462 KN·m范圍內，最大和最小值的差值百分比為35.5%；由此可以看出，結構整體抗震效果和減隔震支座各項參數有十分密切的關系，即采用適宜的參數能保證減隔震效果。1#和2#制支座在屈服前剛度上有很大差值，僅屈服力就相差了33%，1#支座墩身底部彎矩比2#支座小，且上部結構的實際位移有所增加；3#和4#兩個支座的屈服力完全相等，但屈服前剛度有37%的差別，與之前相同，當支座剛度相對較大時，墩身底部彎矩增加。以上結果都說明在實際的減隔震設計過程中若想減小實際地震力，可從以下兩個方面入手，即減小屈服力與屈服前剛度。以上支座墩身底部彎矩都處在允許抗力范圍內，因減隔震設計過程中需要在減小墩身底部剪力的基礎上控制上部結構產生的位移，所以相比之下1#和4#兩個支座比較合適。另外，因上部結構的自重可以達到1 000 t以上，所以為保證安全儲備，需要選擇具有較高承載力的支座。因此，1#支座是最為合適的。

4 結 論

(1)對初步設計方案進行計算后可得，無論是固定墩還是自由墩，其地震內力分布都無法達到均勻，相比之下，固定墩底部彎矩比自由墩大很多，而且固定墩底部彎矩可能會超出墩身抗力限度，進入到塑性狀態當中，這對橋梁結構很不利。

(2)根據規范和以往相關經驗，決定將固定墩取消，并安裝具有減隔震作用的支座，經計算分析，墩身內力保持一致，同時墩身底部彎矩可以處在允許的抗力范圍之內。

(3)通過專門的減隔震設計，即安裝減隔震支座，能使墩身地震力保持一致，同時處在允許的抗力范圍之內，無需采用其它工程措施，如增大墩身截面和增加墩身配筋。因此，安裝具有減隔震作用的支座是一個合理有效的減隔震設計方法。在支座類型(參數)的選擇上，通過對比，得出以1#支座為宜，其參數包括：①截面形狀為圓形；②尺寸為670 mm；③承載力為3 200 KN；④屈服力為162 KN；⑤屈服前剛度為8 600 KN/m；⑥墩底部剪力為296.8 KN；⑦墩底部彎矩為1 775 KN·m；⑧上部結構位移為120 mm。