浅析市政桥梁中的隔震设计应用

2015-01-08陈立楠李琪

城市道桥与防洪 2015年6期

陈立楠，李琪

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

0 引言

桥梁设计中，梁和墩的强度、延性不够会引起桥梁震害。除此之外，一般砂土液化和地基下沉等地质现象也可以引起桥梁基础破坏，从而导致桥梁倒塌。在地震中，桥梁的结构形式和连接措施会对震害有很大影响。如果桥梁的支撑点存在激励不一致的问题，也会引起桥梁震害。传统的桥梁抗震设计方法是增强桥梁结构的自身强度及其延性（变形能力）来提高对地震力的抵制作用，增加吸收地震能量的作用。虽然这种方法可以在一定程度上防止结构发生倒塌，但是结构振动以及产生的损伤是不可避免的。传统方法不能从本质上提高桥梁结构的抗震性能，而且会使得成本增加，美观度下降。新的抗震设计是采用隔震技术，运用新技术提高相关构件的弹塑性，以缓冲地面对桥梁的支反力，降低地震引起的桥梁主体结构破坏，不仅降低工程成本、简化程序，还不影响主体结构，保证桥梁观感[1]。

1 隔震技术概述

隔震技术是利用隔震装置减小或截断地震能量进入主体结构，有时和减震技术结合使用。实际上就是通过减震或者隔震装置来改变结构在地震中的振动响应特性，减少冲击能量对桥梁主体结构的输入[2]。

桥梁减隔震设计有很多好处，表现在：

（1）有效调整桥梁水平方向上的刚度，使竖直平面内扭力平衡，有效降低地震带来的横向作用力；

（2）既不影响工程造价，又能保障桥梁在地震中的安全性，大大提高了桥梁的性价比；

（3）可以保护桥梁下部基础，提高结构承载力和优化支座反力；

（4）在地震时，一般桥梁有可能表现出超出弹性设计范围的情况，减隔震装置可以有效消除这种结构变形。

隔震技术原理：一是提高结构柔性，延长自振周期，减小其地震反应；二是增加结构能量耗散能力或者阻尼，减小由于自振周期的变化带来的结构位移；三是减隔震装置必须能支撑起整个主体结构，保证整体在正常设计载荷下有足够的强度和刚度。如图1（a）所示，增加结构自振周期，结构位移也相应增加，可采取图1（b）的方法，即增加结构阻尼，抑制结构位移的增加。

图1 结构周期反应谱

市政桥梁减隔震设计技术尤其适用条件，根据已有国内外文献可以得到其必须满足的条件为：一是桥梁中包含刚性墩，桥梁本身自振周期短；二是桥梁垂向尺度不规则，比如相邻桥墩有不同高度，这就需要某个桥墩有很好的延性；三是地面运动特性明确，长周期内含能量较低。有的情况就不适合使用隔震装置，比如：基础地面不稳定，下部结构是大柔性结构，延长周期可能引起结构共振；支座支反力存在负值[3]。

2 常用减隔震装置模型及原理

2.1 抗震滑动摩擦支座

抗震滑动摩擦支座的减震原理[4-6]：正常环境下，其作用为普通固定钢支；地震环境下，如果支座剪力大于水平设计承载力，则限制载荷剪力销将被剪断，支座变为滑动支座，达到隔震效果；滑动过程中，支座内产生的摩擦力起到耗能作用。其滑动前后的路径符合双线性恢复力模型，如图2所示。图2中K、K p分别为支座滑动前后刚度，Kp的值一般依据桥梁上部结构的控制位移来确定；Qy为支座限位力；开始滑动时变形Xy值一般取2 mm。抗震滑动摩擦支座原则上只适用于横向减隔震设计，只有当地震作用对审核及起控制作用时才能用于纵向减震。

图2 双线性恢复力模型

图3为抗震互动摩擦支座的力学模型，其中F支座为滑动摩擦力。

图3 抗震滑动摩擦支座力学模型

2.2 粘滞阻尼器

粘滞阻尼器一般由三部分组成，即缸体、活塞和流体。活塞上包含阻尼孔，在缸体内可做往复运动，流体充满整个缸体，一般为硅油或者其他黏性流体[7]。

粘滞阻尼器的阻尼力是速度相关幂函数，当活塞的振动频率比4 Hz小时，认为其刚度为零，阻尼力表达式为：

式中：F为阻尼力；C为阻尼系数；ν为速度；α为速度指数。

在实际使用中，可以根据桥梁结构的动力特性来选择合适的阻尼器，使其减隔震效果达到最佳。

粘滞阻尼器的运行原理为：活塞和缸体之间存在相对运动，压力差使得黏性流体从阻尼孔中流过，产生阻尼力，将振动能量转化为热能，从而减少结构动力反应。相对于其它减隔震装置，其最大特点是：输出的阻尼力和结构内力的反应存在π/2的相位差，并且不产生附加刚度。所以，粘性阻尼器在不改变主体结构的动力特性的情况下，可以减少相应位移，同时不产生附加内力。粘滞阻尼器力学模型如图4所示。

图4 粘滞阻尼器力学模型

图4中，C为阻尼系数，K为阻尼器刚度，K b为连接弹簧刚度。当阻尼器活塞频率小于4 Hz时，连接弹簧刚度Kb表达式为：

式中：T为结构的第一周期。

2.3 lock-up装置

简单来讲，Lock-up装置是一个速度开关。当墩和梁之间的速度差没有达到Lock-up启动速度时，此装置对结构没有任何影响。在地震作用下，墩和梁之间的速度差达到其启动速度时，装置立即启动并锁住，这时候装置的作用相当于大刚度的连杆，墩和梁之间的节点计算由图5中的（a）变成（b），自由墩变为固定墩，共同承担地震作用[8-10]。

图5 使用Loc kup装置原理图

图5中，a、b是桥梁上部结构，c是桥墩，节点2为梁上的节点，4为墩顶部节点，在2和4之间水平安装lock-up装置。

Lock-up装置有3个主要参数，即最大冲程、承载力和启动速度。在正常环境下，装置不能限制桥梁的自由变形，这样可以确定其最大冲程；启动速度依据工程具体要求确定；承载力通过具体计算确定。方法为：将装置看做一个刚性连杆，对变换后的结构进行荷载作用下的内力分析，最大内力作为装置的设计承载力极限值。

2.4 铅芯橡胶支座

在普通橡胶支座中加圆柱形铅芯就构成铅芯橡胶支座，如图6所示。

图6 铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座减隔震原理为：在正常环境下，铅芯和普通固支有同样的刚度；地震作用下，材料铅容易发生过屈服，固支转为滑动支座，这时桥梁结构的自振周期得到延长，输入到上部结构的地震能量就大大减小。另外，铅芯还有很高的耗能能力。综上，铅芯橡胶支座在正常使用下可以限位，地震作用下有耗能和隔震作用。

铅芯橡胶支座的设计参数为：屈服力Qd、屈服前后结构刚度K1、K2。屈服力和屈服刚度对结构振动响应影响都很大，通过调整其值大小，可以使结构达到满意的减震效果。其关系式为：

式中：W为支座垂向设计承载力；Q d/W为屈服比，反映其橡胶量和铅芯量之比。

铅芯橡胶支座使用条件建议在以下情况下考虑：设防烈度大于6度，桥梁整体基本自振周期短，地质条件较好。

3 隔震设计中出现的问题

在隔震设计中，要正确分析桥梁系统的抗震传力路径，然后采用有效的技术装置和措施，保证隔震装置在地震时能起到缓冲耗能作用。现阶段我国的隔震设计还不规范全面，而且设计和施工经验都不足，容易在桥梁构造细节和施工措施上出现很多不科学的地方，大大影响减隔震装置的性能作用。比如粘滞阻尼器的使用过程中，经常发生泄漏油的事故。再者，我国还没有形成完备全面的产品标准和技术规范等标准，如若不合格的隔震装置引进市政桥梁设计中，会造成安全隐患。最后，产品的耐久性和疲劳性能等特性必须要及时检测，相关部门也缺乏相应机制和规范标准。所以，相关部门规范设计标准、产品标准，以及完善基础设备检测程序和标准亟待解决。施工部门提高施工技术，注意细节问题，争取不留安全隐患也尤为重要[11，12]。