墩底隔震橋梁設計方法研究

關青鋒 陳逸彬 孫培揚

(廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006)

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墩底隔震橋梁設計方法研究

關青鋒 陳逸彬 孫培揚

(廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006)

從橋梁震后可修復性理念出發，提出了一種墩底隔震的彎橋結構體系，以某高架彎橋為例，探討了新型結構體系的設計原則，并進行了數值分析，論證了墩底隔震體系比傳統墩頂隔震體系具有的較優性能。

墩底隔震，高橋彎橋，擋塊，最大彎矩

0 引言

21世紀以來，日本、智利等均發生了多次大地震，橋梁、房屋等建筑結構被嚴重破壞，短時間內難以修復，導致抗震救災工作受到極大阻礙，間接造成更多人民傷亡和難以估計的經濟損失。基于此，國內外工程專家開始重新審視橋梁抗震設計理念，并逐漸從延性抗震設計向減隔震設計轉變[1]。現階段，橋梁常見的減隔震設計方法是采用墩頂隔震體系，墩底減隔震體系則極少采用，這是由傳統橋梁施工工藝決定的。本文提出在橋墩底部設置減隔震支座的結構形式，這符合可修復抗震設計理念，同時橋承臺可提供維護平臺，便于震后支座替換。日本的Benten高架橋在1995年阪神—淡路大地震后，采用墩底隔震設計方法進行重建，其框架式雙柱墩和鋼梁固結，顯著的改善了整體性和抗震性[2]。燕斌等以某大跨連續剛橋為例，開發了在承臺內部設置隔震支座的墩底隔震體系，極大降低了橋梁上下部結構的地震動需求[3]。

從墩底設置隔震支座的優點、可修復抗震設計理念出發，本文擬提出一種墩底隔震的彎橋梁結構體系。該體系有如下優點：

1)內力反應減小,墩頂與墩底間的相對變形減小,橋墩和基礎會得到更有效的保護；2)橋墩與梁體固結，體系整體性更好，且本身體系為彎橋，相對于直橋，具有更佳的橫向抗傾覆性，不易發生落梁事故；3)結構的震后修復性更強；4)由于支座放置在承臺上，這就使橋梁上部結構與基礎分開，當橋梁受到地震波激勵時，橋墩傳遞到承臺的內力將極大降低，這大大降低了橋梁對基礎的能力需求，提高了下部結構的經濟性。

下文實例中將對第4)點優勢進行驗證。

1 墩底隔震彎橋結構體系

1.1 體系設計原則

墩底隔震體系把支座放在墩底，上部結構已經和承臺基礎分開，在振動時全橋的相對位移都將集中于隔震支座處。為了保證該新型體系的整體結構幾何穩定性和橫向抗傾覆穩定性，應令橋梁在結構形式上符合以下理論原則：1)墩梁固結；2)橫橋向采用框架結構形式；3)隔震支座設置原則；4)中間墩和過渡墩支座區別設置原則；5)抗震擋塊設置。

1.2 結構體系

以上述分析為依據，本文提出如圖1所示的墩底隔震體系。該體系中間墩墩梁固結，墩底與承臺上平面以隔震支座相連，過渡墩墩頂的處理方式與墩頂隔震體系相同，且其墩底與承臺固結。橋墩設置為雙柱墩，為框架結構形式。支座處采用承臺擋塊方式，以限制支座過大的位移。

1.3 抗震擋塊

采用墩底隔震體系時，墩底的位移限制是一個必須考慮的問題，本文認為可以通過下面兩種辦法進行處理：

1)將拉索支座[4]設置在墩底。拉索支座具有抗剪螺栓，能夠通過自身彈性變形來抵抗墩底過大位移，而不使橋墩產生過大內力，即使拉索被拉緊至彈性極限，仍能憑強度限制位移。

2)以類似于蓋梁擋塊的做法，在承臺上設置雙向擋塊(如圖2所示)或者環形擋塊(如圖3所示)。

擋塊的限位緩沖距離和拉索支座的自由行程的設計應該考慮橋梁的溫度變形程度，其中主要指標是梁體在溫度變化作用下的伸縮量，在溫度變化影響下，鋼筋混凝土結構的伸縮量可由以下公式[5]計算：

Δl=αclΔt

(1)

其中，αc為混凝土材料線膨脹系數，取0.000 01；l為一聯梁長度；Δt為梁體溫差。設梁體長度l=1 000 m,Δt=20 ℃則Δl=10 cm，該擋塊間隙為可接受數值。

2 算例分析

2.1 某高架彎橋體系

本文選取某(9×31)m連續彎橋為工程實例(如圖4所示)，主梁高25.5 m，高2 m，為單箱多室常截面，梁體曲率半徑取500 m[6](如圖5所示)，過渡墩尺寸為1.6 m×1.7 m，中間墩為1.8 m×2 m。采用摩擦擺減隔震支座[7]。墩底隔震體系和墩頂隔震體系所采用的各支座參數如表1所示，支座屈服位移均取0.002 m，屈前屈后比為0.01。

表1 墩頂和墩底體系隔震支座參數

位置墩底隔震體系墩頂隔震體系恒載反力kN屈前剛度kN/m屈服力恒載反力kN屈前剛度kN/m屈服力kN中間墩4030.79740307.9780.615943933.36539333.6578.6673過渡墩10416.317104163.2208.326311431.222114312.2228.6244

2.2 擋塊設置

如圖4所示模型的梁體總長為279 m，根據式(1)，假設溫差為20 ℃，則49號墩、58號墩所產生的伸縮量為27.9 mm。該值較小，擋塊限位緩沖距離或拉索支座自由行程按支座位移計算取用已能滿足要求，因此本文模型例子無須考慮溫度變形對橋墩位移的要求。

2.3 建立模型

基于Sap2000軟件，建立兩種隔震體系的彎橋模型，所有剛性連接均用剛臂模擬,對P-Delta效應不做考慮。墩頂隔震體系和墩底隔震體系模型的第一階自振周期分別為1.174 s和1.13 s，根據第一階周期T1和0.1T1，設定體系的阻尼比為0.05。

2.4 地震波

根據該橋的安評報告，選取 3條和設計反應譜非常吻合的E2水準地震波作為地震動輸入。

3 計算結果分析

3.1 承臺底彎矩

縱橋向上，兩種體系的兩端過渡墩彎矩值相差無幾，而墩底隔震體系中間墩傳遞到承臺的彎矩大幅度降低。相比于彎橋墩頂隔震體系，墩底體系的承臺最大彎矩降幅高達74.3%(P50號墩)，除了兩端過渡墩(P49號與P58號)，彎橋墩底體系的承臺最大彎矩值降幅平均為72.8%。橫橋向上，墩底體系的中間墩承臺最大彎矩值同樣得以降低，最大降幅為23.6%(P57號墩)，平均降幅為19.2%。彎橋承臺底最大彎矩見圖6。

這一現象說明了墩底體系對承臺、樁基的地震動需求將比墩頂體系小得多，同時驗證了本文引言部分的預測。

3.2 橋墩最大彎矩

縱橋向，墩底隔震體系中間墩的橋墩最大彎矩比傳統體系基本均小10%左右。而在橫橋向激勵時，橋墩橫向框架結構的剛度較大，高階振型貢獻都比較小，所以兩種隔震體系的橋墩最大彎矩基本一致。彎橋橋墩最大彎矩見圖7。

3.3 最大支座位移

橫橋向過渡墩支座位移比傳統體系略大(P49號墩大11.1%)，中間墩的支座位移相近(最大相差2.04%，P55號墩)。因墩底隔震體系中橋梁成一體的框架結構，具備更好的穩定性，故所有縱橋向的支座位移比傳統體系小。整體而言，墩底隔震體系與墩頂隔震體系的支座位移比較接近，沒有明顯的增大。彎橋最大支座位移見圖8。

綜上分析，墩底隔震體系比傳統墩頂隔震體系具有較優性能，對各部分結構地震動需求普遍較低。

4 結語

從橋梁震后可修復性理念出發，本文提出了一種針對彎橋的墩底隔震體系，并以某城市高架連續梁彎橋為例，討論了新型結構體系的設計原則，進行了數值分析，最終得出以下結論：1)彎橋墩底隔震體系整體性好，便于震后修復，不易發生傾覆或落梁，同時彎曲的形狀能為城市交通設計提供更大的考慮空間；2)相比于墩頂隔震體系，新型體系支座最大位移略增大，但不明顯，在橫橋向上兩者具有較高的一致性；墩底體系的縱向橋墩最大彎矩降低11%，橫橋向與墩頂體系基本相同；墩底體系的優點體現在承臺彎矩上——在地震作用下，墩底體系的縱橋向承臺最大彎矩比墩頂體系低74%，這無疑極大地降低了橋梁結構對承臺、樁基的地震動需求，使得基礎部分經濟性大大提升。

[1] 葉愛君，管仲國.橋梁抗震[M].第2版.北京:人民交通出版社,2011:143.

[2] Yoshikawa M,Hayashi H,Kawakita S,et al.Construction of Benten Viaduct,rigid-frame bridge with seismic isolators at the foot of piers[J].Cement and Concrete Composites,2000,22(1):39-46.

[3] Yan B,Xia Y,Du X.Numerical investigation on seismic performance of base-isolation for Rigid Frame Bridges[J].Journal of Vibroengineering,2013,15(1)：328-329.

[4] 袁萬城,曹新建,榮肇駿.拉索減震支座的開發與試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報,2010,31(12):1593-1600.

[5] JTG/T B02—01—2008，公路橋梁抗震設計細則[S].

[6] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[7] 焦馳宇,胡世德,管仲國.FPS抗震支座分析模型的比較研究[J].振動與沖擊,2007,26(10):113-117.

On bridge design methods for pier bottom seismic isolation

Guan Qingfeng Chen Yibin Sun Peiyang

(CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

From the maintainable repair theory of the bridges after the earthquakes,the paper puts forward the bended bridge structure system of the pier bottom seismic isolation,explore the design principle for the new structural system,undertakes the numeric analysis,and proves the pier bottom seismic isolation is superior to the traditional seismic isolation system.

pier bottom seismic isolation,bended bridge,stop piece,maximal moment

1009-6825(2016)29-0179-03

2016-08-01

關青鋒(1995- )，男，在讀本科生

U441.3

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