減隔震技術在山區橋梁設計中的應用

楊光哲，李心智

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210017)

由于山區施工條件艱苦、施工成本高，預制型結構在山區橋梁中廣泛應用，同時，因山區地面起伏大，同一座橋梁的橋墩高差較大，因此，提高下部剛度差異較大的預制結構體系橋梁抗震性能變得尤為重要。圖1為某橋地震后的破壞情況。

圖1 某橋地震作用后的破壞情況

1 抗震措施

就目前橋梁工程領域，普遍使用的抗震設計方法可大致分為兩類：

(1)提高橋梁本身抗震性能，諸如增強樁基強度、增大橋墩整體延性等。

(2)采用減隔震措施，在地震過程中，利用減隔震設施耗散由樁基傳遞至結構的地震能量、通過減隔震裝置自身特性延長結構周期，減小地震反映對橋梁結構的作用。

而這兩方面對于梁式體系橋梁，一般對應以下兩種類型的抗震體系。類型Ⅰ：地震作用下，確保上部結構、連接系統及橋梁基礎不受損傷，仍保持彈性工作范圍內，通過墩身塑性鉸的產生，伴隨墩身的彈塑性變形消耗地震能量。類型Ⅱ：地震作用下，在控制上、下部結構相對位移的基礎上，確保上部、下部結構及橋梁基礎不受損傷，使其基本仍保持在彈性工作范圍內，通過上下部結構的連接系統消耗地震能量。

由于山區地質、地形條件復雜，以類型Ⅰ來指導抗震設計往往面臨樁-土作用效果離散型較大，墩身剛度不均勻等一系列問題。同時，在高烈度地震區，僅靠結構自身塑性變形消耗地震能量也變得尤為困難。因此，以類型Ⅱ抗震體系作為指導原則，在充分發揮上、下部結構連接構件減隔震作用的基礎上，輔以類型Ⅰ抗震體系，將橋梁看做一個整體，適當發揮橋梁下部結構材料延性，是山區橋梁抗震設計的難點。

圖2 常見抗震措施

2 減隔震技術

橋梁工程中的減隔震技術主要針對上、下部結構的連接構件(支座)，盡管細節上變化較大，但都基本遵循一定普遍特征的設計方法。橋梁工程中的隔震系統一般在發揮減隔震作用，同時也需確保上、下部結構相對位移不超過限值。目前，橋梁工程中常見的減隔震技術主要有以下三類：高阻尼支座；摩擦擺支座；彈塑性鋼擋塊。

2.1 高阻尼支座

圖3 高阻尼支座示意圖

高阻尼支座通常分為鉛芯隔震橡膠支座和高阻尼隔震橡膠高阻尼支座。作為橋梁上、下部結構的連接構件，高阻尼支座在豎向荷載作用下非常堅固，且其豎向剛度較大，但在水平方向，剛度較小、相對較柔。在地震荷載作用下，通過上、下部結構的相對水平位移即支座的水平變形引入結構非線性，增大結構整體震動周期，降低地震響應。同時，由支座內鉛芯或內部橡膠同內部鋼板的相互作用，提供較大的阻尼比，進一步減小橋梁整體的地震響應。

然而，高阻尼支座同普通板式橡膠支座相比支座高度較大，造價較高。在山區高速中，較大比例的預制結構，大范圍使用高阻尼支座，會增大建設費用。

2.2 摩擦擺支座

圖4 摩擦擺支座示意圖

不同于常規支座，摩擦擺支座利用單擺原理進行設計。在較大的地震荷載作用下，摩擦擺支座系統內部限位裝置被破壞，支座通過球形滑動表面的運動使上部結構發生單擺運動，橋梁上、下部結構承受的水平向力則通過球冠與上、下耐磨板的摩擦作用傳遞。增大了橋梁整體振動周期、降低地震響應，同時，通過自身的摩擦耗能，進一步降低結構的地震響應。

然而，由于摩擦擺支座利用單擺原理進行設計，需要較大的上部結構恒載才能發揮出較好的作用，因此，更多地應用于大跨徑橋梁或現澆橋梁。在支座安置方面，由于預制結構每片梁梁底空間有限，也需要進行特殊設計用于安放摩擦擺支座。

2.3 彈塑性鋼擋塊

對汶川中小橋的震害研究表明，采用普通的板式橡膠支座的中小跨公路橋，由于支座與上、下部結構產生相對位移，實際上起到了抗震作用，有效地減小了下部結構所承受的地震力。但需充分重視擋塊強度設計，否則其在地震響應下非常容易破壞，甚至導致落梁。

圖5 彈塑性鋼擋塊示意圖

圖6 彈塑性鋼擋塊雙線性恢復力模型

結合彈塑性鋼擋塊雙線性恢復力模型可以看出，通過普通板式橡膠支座+彈塑性鋼擋塊的上、下部連接結構也可以通過結構整體的非線性變形，增大結構自振周期，減弱強地震作用下的結構整體的地震響應。并且，由于彈塑性鋼擋塊設計靈活，在強地震作用下，適當控制上、下部結構相對位移，可以兼顧橋墩延性設計和上、下部結構連接系統減隔震作用兩方面。

3 有限元模型比較

本研究依托于云南省某高速公路橋梁的抗震研究。

云南省某高速公路位于昆明市北部，全長約50km，其中設置橋梁38座共12.8km、互通式立交4處。項目區域也是我國強烈地震活動帶之一，全線地震基本烈度高達9度。本模型采用E2作用下的時程函數作為地震荷載進行模擬。見圖7。

圖7 E2地震時程曲線(g)

本研究選取其中某橋進行專項研究。該橋采用簡支(橋面連續)結構，跨徑2×40+3×40+3×40(m)，最大墩高45.3m。分別采用高阻尼支座、摩擦擺支座、普通板式支座+彈塑性鋼擋塊模擬上、下部結構連接方式(以下簡稱模型A、模型B、模型C)。

圖8 有限元模型

模型A、模型B、模型C計算結構自振周期如表1所示：

表1 結構自振周期表

通過結構整體自振周期可以看出，采用摩擦擺支座的數值模型自振周期明顯高于其他三種模型。依次對比模型A、模型B、模型C的低階自振周期，明顯可以發現隨著上、下部結構連接剛度的減小，結構自振周期明顯增大。同時，通過模型C對比普通板式橡膠支座兩個模型可以看出，二者相對接近，在不考慮由于上、下部相對位移較大導致支座破壞的前提下，普通板式橡膠支座可以適當地發揮出部分減隔震作用，而鋼擋塊的應用，雖然增大了一定的上、下部連接剛度，但整體增幅較小，仍能將結構自振周期控制在一定范圍內。

而減隔震措施的研究分析中，在注重減隔震效果的同時，也需要注意結構的最大相應位移以及上、下部結構的相對位移，避免發生落梁等位移過大問題。各模型最高墩支座變形時程曲線如圖9～圖16。

從四個數值模型可以看出，模型A、模型B在結束地震輸入后，支座變形都能回歸到最初狀態，而模型C以及普通板式橡膠支座模型在結束地震輸入后，上、下部結構的復位情況較差。從變形時程曲線變化趨勢可以看出，模型A、B在地震作用下，響應較為平緩，同時，停止地震輸入后，能夠較快地結束自由振動。但模型A、B相比于模型C在橫橋向，支座位移明顯增大，同時，模型B在順橋向的支座變形也遠大于其他模型。對比模型C及普通板式橡膠支座模型，可以看出，二者在順橋向支座最大變形幾乎相同，而通過橫向鋼擋塊的設計，模型C的橫向支座最大變形明顯小于普通板式橡膠支座模型及模型A、B。

圖9 模型A最高墩支座縱向變形

圖10 模型A最高墩支座橫向變形

圖11 模型B最高墩支座縱向變形

圖12 模型B最高墩支座橫向變形

圖13 模型C最高墩支座縱向變形

圖14 模型C最高墩支座橫向變形

圖15 普通支座最高墩縱向變形

圖16 普通支座最高墩橫向變形

結構類型支座最大變形(m)縱向橫向模型A0.490.55模型B1.070.98模型C0.500.38普通支座0.490.48

在結構抗震過程中，對于整體結構而言除了結構的最大變形外，還需充分考慮結構內力的變化，各數值模型最高墩墩底截面彎矩、剪力對比如圖17、圖18。

圖17 墩底截面彎矩對比圖(單位：kN·m)

圖18 墩底截面剪力對比圖(單位：kN)

對比四種模型可以看出，順橋向，各模型在地震響應過程中，受力相差較小。而在橫橋向，模型A及模型B明顯優于模型C及普通支座模型。對比模型C及普通支座兩個模型，可以看出采用鋼檔塊，結構橫向彎矩有小幅度增大。

4 結論

各種減隔震措施均有優劣，當上、下部結構連接系統滯回曲線相對平緩、滯回面積較大時，結構減隔震效果最為優秀，但結構相對位移較大，容易因變形過大而發生破壞。同時由于摩擦擺支座和高阻尼支座造價較高，噸位較大，更適合大跨徑橋梁，經濟性較差。

彈塑性鋼擋塊相比于其他類型的減隔震措施，結合普通板式橡膠支座，可以達到一定減隔震效果，并減小上、下部結構最大位移。同時，將上、下部連接系統分為兩部分進行單獨設計，設計靈活性較大，可以最大限度地兼顧減隔震效果、結構位移相應兩方面。因此采用彈塑性鋼擋塊作為減隔震措施可以更加經濟、有效地提高橋梁的抗震性能。