多道防线抗震球型钢支座的开发和试验

彭天波，于训涛，王立志，张培基

（1.同济大学 土木工程学院，上海200092；2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；3.丰泽工程橡胶科技开发股份有限公司，河北 衡水053000）

桥梁减隔震设计方法是一种能够有效减轻桥梁结构在地震中遭受损坏的设计方法，它主要利用减震装置消耗传入结构体系的振动能量，并采用隔震装置将结构或构件与可能引起破坏的地震运动分离开来，从而大幅减少传递到上部结构的地震作用，提高桥梁结构的安全性［1－3］.最简单的实现减隔震设计的方法是采用具有减隔震功能的支座代替普通桥梁支座.

大部分国家的桥梁抗震设计方法采用的是两水平设防.例如在《公路桥梁抗震设计细则》中规定，对于除单跨跨径超过150m的特大桥以外的高速公路和一级公路上的桥梁及二级公路上的大桥、特大桥等其抗震设防目标是小震（E1水平地震作用，重现期约为50～100年）不坏，大震（E2水平地震作用，重现期约为2 000年）不倒.近期发生的几次大地震，如汶川地震，之所以造成如此严重的破坏，一个很重要的原因就是实际地震烈度远高于预计的设防烈度［4］.因此鉴于地震发生时间、地点和烈度的不确定性，桥梁结构遭受大于规范规定的E2地震作用的可能性是不容忽视的.由于现行规范没有明确这种情况下的桥梁抗震性能要求，本文建议即使在大于E2水平的地震作用下也不出现倒塌、落梁等严重影响交通安全、危害人员生命的震害现象.建议的桥梁各级抗震性能要求与相应的地震作用水平的关系如表1，表中 MPE（maximum possible earthquake）代表桥梁结构在寿命期内可能遭受的最强烈的地震作用.

如表1所示，本文建议连续梁桥抗震设计方法采用的是三水平设防，就是针对前述的E1，E2，MPE这3级地震作用水平相应地要求桥梁具有不同的抗震性能.在E1水平地震作用下，主要是通过固定支座和横向活动支座来承受纵桥向地震水平力的作用，固定支座和纵向活动支座承受横桥向地震水平力的作用，同时桥墩及其基础也需要具有一定的初始强度，以保证在E1水平地震作用下保持完好.在E2水平地震作用下，支座需要转变为具有减隔震功能的支座，从而使得桥梁体系转变为一套减隔震系统以保护桥梁整体结构的抗震安全.在MPE水平地震作用下，这些支座应该转变为具有防落梁功能的支座，同时启动下部结构的延性抗震能力以防止桥梁发生倒塌、落梁等震害现象.显然支座体系在不同水平的地震作用下应具有不同的功能要求.

表1 桥梁各级抗震性能要求与相应的地震作用水平的关系Tab.1 Seismic performance requirements and the corresponding seismic intensities

常规的减隔震支座多是采用一水平设防（只配有减隔震装置）或二水平设防（只配有剪力销和减隔震装置）的抗震性能要求，这些支座不能实现三水平设防的桥梁抗震设计理念.为了满足连续梁桥三水平设防的抗震性能要求，开发了一种多道防线抗震球 型 钢 支 座 （multi－defense aseismic spherical bearing，MDAS支座），该支座结合了保证正常使用、剪力销抗剪、摩擦耗能、悬臂棒弯曲耗能、刚性挡块防落梁、竖向抗拉等多项功能，应用了多道抗震防线的思想，可以保证桥梁结构的正常使用功能和最大限度地保障桥梁结构的抗震安全.

本文首先阐述MDAS支座的构造特点和工作机理，然后通过力学性能试验表明MDAS支座可以实现三水平设防的桥梁抗震设计方法，并具有稳定可靠的抗震性能.

1 MDAS支座的构造特点

根据支座在正常使用下和小震作用下的状态不同，MDAS支座系列产品可以分为固定、纵向活动、横向活动和双向活动4类.根据悬臂棒布置的位置，即减隔震方向的不同，系列产品可以分为双向减隔震、纵向减隔震和横向减隔震3类.单向减隔震只需要在1个方向设置悬臂棒，而双向减隔震则需要在2个方向设置悬臂棒.对以上几类支座进行组合，可以得到以下12类产品：即固定且双向减隔震MDAS支座、固定且纵向减隔震MDAS支座、固定且横向减隔震MDAS支座、纵向活动且双向减隔震MDAS支座、纵向活动且纵向减隔震MDAS支座、纵向活动且横向减隔震MDAS支座、横向活动且双向减隔震MDAS支座、横向活动且纵向减隔震MDAS支座、横向活动且横向减隔震MDAS支座、双向活动且双向减隔震MDAS支座、双向活动且纵向减隔震MDAS支座、双向活动且横向减隔震MDAS支座.

以1个纵向活动且横向减隔震MDAS支座为例，其构造特点如图1.支座由上滑板、上支座板、球芯、底座、底板、剪力销、悬臂棒、刚性挡块、导轨等部件以及活动面之间的摩擦副组成.上支座板、球芯、底座与底板之间的平面和球面活动面可以适应支座平动和转动的需要.对支座运动的约束有2种方式：采用剪力销或者采用导轨.区别在于，采用剪力销只能对正常使用下和E1水平地震作用下的水平位移进行约束，而如果采用导轨，则在任何情况下导轨的1个方向的相对位移受到约束，而另外1个方向的是相对自由的.对于图1中纵向活动、横向约束的支座，上滑板与上支座板之间可以自由地相对滑动以实现支座的纵向活动，底座与底板之间纵桥向是采用导轨约束的，横桥向通过剪力销抗剪，剪力销剪断后可以相对运动.

在上滑板两侧部分区段增加了板的厚度，在加厚段下方加工了可以容纳悬臂棒端头的凹槽.悬臂棒根部固定在底板上，端头嵌入凹槽，保证其可以与上滑板一起运动.刚性挡块固定在底板上，其内侧与悬臂棒根部内侧平齐，可以确保在悬臂棒折断后挡住底座，防止支座各部件沿侧向相互脱离，从而丧失对上部结构的支承作用.通过导轨外凸部分的相互扣拉实现竖向抗拉功能，防止支座沿竖向相互脱离.

2 MDAS支座的工作机理

以1个4跨连续梁桥为例，分别介绍在纵桥向地震和横桥向地震作用下MDAS支座的工作机理.此连续梁桥设置了1个固定墩和4个活动墩，在固定墩上安装了1个固定且纵向减隔震MDAS支座和1个横向活动且纵向减隔震MDAS支座，在每个活动墩上各安装了1个纵向活动且纵向减隔震MDAS支座和1个双向活动且纵向减隔震MDAS支座.具体的支座布置形式如图2所示.

图1 MDAS支座的构造示意Fig.1 Configuration of a MDAS bearing

图2 采用三水平设防抗震设计的连续梁桥示例Fig.2 The bridge example designed with the proposed seismic design method

首先考虑纵桥向的抗震性能.在E1水平地震作用下，桥梁上部结构所受的水平力主要是由固定且纵向减隔震MDAS支座（支座1）和横向活动且纵向减隔震MDAS支座（支座2）的限制支座水平纵向相对位移的剪力销来抵抗的.这是设计的第1道抗震防线.

一旦在E2水平地震作用下，支座承受的水平地震作用大于某一设计值，则相应的剪力销被剪断，连续梁桥固定墩的支座1和支座2立即进入减隔震工作状态，起到吸收和耗散地震能的作用.对于活动墩的纵向活动且纵向减隔震型MDAS支座（支座3）和双向活动且纵向减隔震MDAS支座（支座4），如果地震位移不大于设计的正常使用滑移量，则该支座只能通过摩擦的形式耗能.如果地震位移大于设计的正常使用滑移量，则悬臂棒将发生弯曲变形，也起到耗能作用.这是设计的纵桥向第2道抗震防线.

在MPE水平地震作用下，一旦达到允许的最大支座位移，可以通过所有支座在悬臂棒外侧设置刚性挡块和竖向抗拉措施保证支座的整体性，最大限度地保证桥梁结构的安全.到了这一步，支座的抗震能力就已经用到了极限，进一步的抗震要求只能通过下部结构的延性抗震来予以抵抗.这就是设计的第3道抗震防线.

接下来考虑横桥向的抗震性能.在E1水平地震作用下，桥梁上部结构所受的水平力主要是由支座1和支座3的限制支座水平横向相对位移的剪力销来抵抗的.这是设计的第1道抗震防线.

一旦在E2水平地震作用下，支座承受的水平地震作用大于某一设计值，则相应的剪力销被剪断，支座1和支座3立即进入减隔震工作状态，起到吸收和耗散地震能的作用.对于支座2和支座4，如果地震位移不大于设计的正常使用滑移量，则该支座只能通过摩擦的形式耗能.如果地震位移大于设计的正常使用滑移量，则悬臂棒将发生弯曲变形，起到耗能作用.这是设计的横桥向第2道抗震防线.

同样在MPE水平地震作用下，可以通过所有支座的刚性挡块和竖向抗拉措施保证支座的整体性，触发桥梁下部结构的延性抗震能力来保障桥梁结构的安全.这作为设计的第3道抗震防线.

3 MDAS支座的力学性能试验研究

为了验证MDAS支座的抗震性能，同济大学土木工程防灾国家重点实验室对一个足尺的纵向活动且横桥向减隔震MDAS支座进行了力学性能试验研究.根据三水平设防的桥梁抗震设计要求对支座试样提出了相应的设计指标要求，如表2所示.

整个循环测试过程中支座没有破坏，表2中列出了相应的试验结果，支座的各项指标均满足三水平设防的桥梁抗震设计所提出的要求.试验结果分析发现位移幅值±100mm时的等效阻尼比为46.1%，等效刚度为7.645kN·mm－1.

表2 支座试样的设计指标要求和试验结果Tab.2 Design requirements and test results of the MDAS bearing

支座的水平滞回曲线给出的是支座侧向位移与水平荷载之间的关系，它反映了支座的刚度和耗能能力.在滞回性能试验中，首先施加竖向设计荷载，然后施加幅值为±10，±20，±50和±100mm的水平位移，每个位移做5次水平往复循环运动，记录试验中的水平位移与相应的水平荷载.试验测得的支座水平滞回曲线见图3，支座的等效阻尼比比较大，滞回环饱满，耗能能力良好；支座的减隔震性能非常稳定，曲线的重合性比较好，表明该支座的减隔震能力非常可靠.

图3 试验测得的支座水平滞回曲线Fig.3 Horizontal hysteresis curve of bearing measured in the test

4 结论

（1）建议的三水平设防的抗震设计方法结合了减隔震设计方法和延性抗震设计方法的优点，能够更好地控制桥梁的地震响应，提高结构抗震能力.

（2）MDAS支座可以满足三水平设防的抗震设计方法对支座力学性能的要求.

（3）支座的等效阻尼比比较大，滞回环饱满，耗能能力良好，具有较好的减隔震效果.

［1］范立础，王志强.桥梁减隔震设计［M］.北京：人民交通出版社，2001.FAN Lichu，WANG Zhiqiang.Isolation design of bridge［M］.Beijing：China Communications Press，2001.

［2］周福霖.工程结构减震控制［M］.北京：地震出版社，1997.ZHOU Fulin.Earthquake reduction control for engineering structure［M］.Beijing：Earthquake Press，1997.

［3］Kelly T E.Base isolation of structures—design guidelines［R］.Wellington：Holmes Consulting Group Ltd，2001.

［4］王亚勇，王言诃.汶川大地震建筑震害启示［J］.建筑结构，2008，38（7）：1.WANG Yayong，WANG Yanhe.The revelation of earthquake damage in Wenchuan Earthquake［J］.Building Structure，2008，38（7）：1.