钢筋混凝土桥梁纵向隔震设计与安装

熊山铭，　周桂梅（.江西省赣南公路勘察设计院，江西 赣州34000；.福建省交通规划设计院，福州350004）

钢筋混凝土桥梁纵向隔震设计与安装

熊山铭1，周桂梅2
（1.江西省赣南公路勘察设计院，江西 赣州341000；2.福建省交通规划设计院，福州350004）

通过对欧洲、美国和日本三国隔震设计方法的总结与归纳，选用两阶段水准反应谱分析方法，并采用非线性动力时程分析法进行结果校核，对实例公路桥梁进行了隔震设计与校核.计算结果表明：在低水准地震作用下，桥墩截面按最小配筋率设计即可；在高水准地震作用下，桥墩已进入屈服阶段，屈服后采用非线性动力时程分析法校核，桥梁隔震能力满足设计要求，桥台、桥墩处的变形能力、结构周期、隔震能力显著提高，是地震频发地区桥梁设计的重要保障措施.

桥梁工程；隔震；反应谱法；非线性动力时程分析法；变形；橡胶隔震支座

0　引言

在地震烈度较高的地区，桥梁设计人员需对桥梁进行专门的抗震设计，以确保公路桥梁在强震中能够正常使用.常规的桥梁抗震设计，主要是依靠桥梁自身性能满足抗震设计要求，如自身结构、构件的强度和延性，要求构件具有较强的抵抗荷载的能力；设计原则是按设防水准和预期性能目标进行弹性体系设计，并对可能出现塑性铰的位置进行专门的延性设计.桥梁隔震设计是通过隔震装置改变结构在受到地震动力响应特性，进而减少地震输入，以外加装置的耗能机制隔震为主，结构自身构件抗震为辅.此类方法的基本原理是将由传递到桥梁结构上的地震产生的地震力和能量减小至最低值，并延长结构周期、增加能量损耗来实现结构抗震［1-4］.

我国 《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）对桥梁减隔震设计有详细规定，并对减隔震装置、分析模型和分析方法均有要求，一般情况下，宜采用非线性动力时程分析方法［5］.

本文总结归纳了各国的隔震设计分析方法，通过对某桥进行计算与分析，得知，在进行了隔震设计后，运用反应谱法时，在两种水准地震作用下桥梁位移容许值均有提高，并用时程分析法对结果进行校核，结果表明，采用非线性动力时程分析法设计时，能够提高桥梁结构的抗震性能.

1　各国隔震设计分析方法

1.1欧洲Euroode8—Part2规范

针对桥梁隔震的动力响应分析，欧洲Euroode8—Part2规范主要有反应谱分析法和非线性动力时程分析法，两种方法的适用条件不一，均有相关规定［6-8］.

一般来说，反应谱分析法包括两种分析方法，即单自由度反应谱分析和多自由度反应谱分析，适用范围略有不同，相同的适用条件如下：

1）场地属于A类或B类；

2）桥梁结构在设计位移（d）时的有效刚度至少为0.2 d时有效刚度的50%；

3）桥梁结构的有效阻尼比不超过10%；

4）桥梁结构的力学特性与加载率、竖向和水平向荷载无关；

5）桥梁结构从0.5 d变到d时，其恢复力不低于其上部结构重量的0.025倍；

6）桥墩结构的非弹性变形可忽略.

在运用反应谱法分析时，对应振型周期T≥0.8T1（T1为隔震振型周期）时，根据隔震设计位移对应的等效阻尼比ξ1对5%阻尼比的设计谱进行修正；当对应振型周期T＞0.8T1时，仍采用阻尼比为5%的设计谱.阻尼比对设计谱的修正系数计算公式如下：

反应谱分析的地震力组合采用某一方向的地震力与另一方向30%地震力进行组合，以用于设计.

对于不满足上述条件的情况，即采用非线性动力时程分析方法，水平地面运动应至少选择三组时程记录，对不同的时程记录进行分析，要求时程记录的持时应与震级和设计地震震源特性相协调，取所有时程分析结果中的最大反应值进行设计.

1.2美国AASHTO规范

AASHTO隔震设计准则是根据桥梁的性能分类给出不同的分析方法，其中包括等效静力法、单自由度反应谱法、多自由度反应谱法和非线性动力时程分析方法.前三种方法具有相同的适用条件，即：等效粘滞阻尼比的大小来反应隔震装置的耗能的多少；等效线性刚度的大小来评定隔震装置的刚度大小.这都要求隔震系统具有自复机制，对于不具备自复机制的隔震体系和等效阻尼比大于30%的情况，必须采用非线性动力时程分析方法进行分析［7-9］.

1.3日本《道路桥梁示方书·同解说》

在设计阶段对桥型简单的桥梁采用静力框架分析法，即对应于两个设计水准地震，采用全桥模型进行分析，将全桥模型离散成集中质量杆系模型，隔震支座用等效线性弹簧和等效粘滞阻尼模型来代替；同时要求在桥梁桥型复杂，且结构动力响应特性也复杂的桥梁，该规定要求必须采用反应谱法或非线性动力时程分析法进行桥梁抗震分析［7］.

1.4各国规范对比分析

1）上述三国规范所采用的分析方法基本相同，即反应谱法和非线性动力时程分析方法，反应谱法包括单自由度分析法和多自由度分析法.不同的是各国对不同方法的适用条件定义存在较大差异；

2）采用等效静力分析法、单自由度反应谱法、多自由度反应谱法分析桥梁抗震性能时，首先是要得到隔震装置对应设计位移的等效阻尼比和等效刚度，而采用非线性动力时程分析方法时，在分析初始阶段隔震装置的设计位移、等效刚度和等效阻尼比都是未知的，需在整个分析过程中进行迭代计算；

3）当采用线弹性反应分析方法时，等效线性模型参数值，即等效刚度、等效阻尼比的确定是一个难点，选择不同的模型，会得到不一样的值，且这些参数对分析结果影响较大，各国都提出了设计谱修正系数值.

通过上述可知，对于桥梁隔震设计，非线性动力时程分析法是一种常规的分析方法，但是也有一定的局限性.非线形动力时程分析法的计算量比较大，在分析时要求分析人员具有丰富的分析经验，建立符合实际且合理的分析模型，并计算得到有效的分析计算结果，对于经验不足的技术人员来说，当建立了不适当的模型或选用了不合适参数，有可能会得到荒谬的结果，并给设计人员造成错觉，影响非线性动力时程分析结果的准确性.

2　隔震桥梁设计计算

2.1工程概况

国道上一座三跨连续箱式梁桥，三孔跨径均为25m，主梁采用单箱三室截面，C40混凝土，下部构造桥台为扩大基础、桥墩为双柱式桥墩，C30混凝土，桥墩直径1.2m，桩基础直径1.4m，1#和2#桥墩高7.7 m和8.6 m，0#和3#桥台均高8.7 m，全桥安装铅芯橡胶隔震支座，桥型图见图1.

通常情况下，假定两阶段设计水准反应谱，较低水准地震作用下采用的地面加速度峰值为0.2 g，较高水准地震作用下采用的地面加速度峰值为0.48 g，详见图2.一般要求，在较低水准地震作用下，除隔震装置外，其余结构构件的地震响应应为弹性，且以强度作为校核结构性能的指标；在较高水准地震作用下，允许桥墩结构发生非弹性变化，但桥梁整体结构仍能保持正常使用功能，并要求校核指标值不超过初始延性值的1.5倍［10］.

2.2低水准地震作用下结构响应分析

根据初步选定的铅芯橡胶隔震支座，由弹性反应谱分析方法计算各桥墩分担的惯性力与支座变形，分析模型见图3.

采用多自由度反应谱分析方法分析结构的响应，假定桥墩不许发生屈服，分析过程是一个迭代的过程，在分析中，仅第一周期（即隔震周期）对应的反应谱值考虑了阻尼比的折减，其它高阶振型对应的阻尼比均假定为5%，详细计算结果见表1.根据表1中计算结果，结合正常使用条件，给出其中一个桥墩单柱的设计配筋，桥墩单柱对应弯矩—曲率曲线、轴力—弯矩包络图见图4、图5.采用隔震设计后，桥墩所受地震力作用明显减小，桥墩截面配筋只需满足规范要求的纵筋最小配筋率即可.

图1　桥型布置图

图2　两个水准设计谱

图3　桥梁简化分析模型

表1　低水准地震作用下结构响应分析结果

图4　桥墩单柱截面弯矩-曲率图

图5　桥墩单柱截面轴力-弯矩图

2.3高水准地震作用下结构响应分析

首先假定桥墩没有屈服，按多自由度弹性反应谱方法进行分析，表2给出在该水准地震作用下纵桥向结构的响应值.从表2中分析结果可知，在该水准地震作用下，按弹性反应谱分析得到桥墩单柱墩底弯矩为5894.5（kN·m），而单个墩柱的屈服弯矩为3595.6（kN·m），得知桥墩已进入屈服.故宜采用非线性动力时程分析方法进行分析，以同时考虑桥墩、支座的非线性特征.

2.4非线性动力时程分析校核

由前述分析可知桥墩已进入屈服，取与图给出的设计谱相协调的人工合成加速度时程及与该类场地相匹配的实际地震记录进行分析，分析模型仍取图3.计算分析结果见图6、图7.表3给出了不同地震时程作用下结构响应的对比.从分析结果可知，桥墩高水准地震作用下，即使受到轻微损伤，设计结果满足预期的使用要求.

较高水准地震作用下隔震支座性能校核值见表4，从表中结果可知，设计的隔震支座性能满足要求.比较全面的隔震支座校核尚应包括其在使用条件下的性能校核，而且在实际工程应用中，按照规范要求，还应对实际使用的隔震支座进行严格的试验检查，校核其是否满足设计要求的指标.

表2　高水准地震作用下结构响应分析结果

表3　在高水准地震作用下结构的计算结果

图6　桥墩弯曲时程曲线

图7　桥墩处支座与墩顶变形比较

表4　高水准地震作用下隔震支座性能校核

3　隔震装置设计与安装

根据隔震装置的工作原理，隔震装置的布置位置主要有两种，一种是布置在桥墩顶部，另一种是布置在桥墩底部.通常情况下，工程技术人员将隔震装置安装在桥墩顶部，用于降低上部结构的惯性力；桥梁上部构型类似于一个倒置的钟摆结构，当地震力作用时，桥梁结构的惯性力主要集中在上部结构中，此时通过在上部构件与下部构件之间安装隔震装置，可以有效的降低上部构件产生的惯性力，使得传递到下部构件的能量降低，达到保护桥墩、基础等下部结构的目的.而对于桥墩墩高较高、质量较大的桥梁，桥梁自身存在振动特性，且当场地条件允许时，宜考虑在桥墩底部安装隔震装置，类似于建筑结构中的隔震装置，以求较大幅度的降低整个结构的动力响应［11-13］.

据统计资料显示，国际上在墩底安装隔震装置的桥梁较少，数量屈指可数；而多数已安装隔震装置的桥梁，是由隔震装置代替支座，安装在桥墩顶部，该法较为经济可行.最常用的隔震装置为橡胶隔震支座，包括铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶支座等橡胶阻尼装置，这些装置的原理都是通过降低桥梁结构动力响应，并给设计人员在如何分配水平地震力提供的空间.通过安装在刚度较大的桥墩上的橡胶支座，降低了桥墩所承受的地震力，进而降低了桥墩的延性要求，提高了抗震能力［14-17］.可见，可以通过调整不同桥墩处的隔震装置来合理调配下部构件所需承担的地震力，规避基础地质条件差或桥墩受力相对较弱情况下给桥梁带来的风险，改善桥梁结构的受力状态，提升整个体系的抗震能力.

桥梁进行了隔震设计后，应确保连续桥梁具有良好的连续性，容许在不连续墩处产生一定量的位移；同时严格控制伸缩缝的施工质量，避免伸缩缝被杂物阻塞，影响隔震减震效果.由于支座有使用年限，在设计时，应考虑对隔震装置进行定期维护和必要更换的要求.

4　结论

虽然各国的隔震设计方法存在差异，但是基本原理基本一致，修正系数取值根据不同的桥型和设计要求而变化，且对计算结果影响较大.本文所采用的分析方法为两阶段设计过程，通过对低水准与高水准两种地震作用下的结构进行分析，计算结果表明，采用了隔震技术后，在遇到高水准的地震作用时，延长了桥梁的结构周期，增加了传递能量的能力，明显降低了地震力作用在桥梁结构上的影响，提高了结构的抗震性能.根据设计要求，在进行隔震桥梁施工时，应依据设计采取必要的保障措施，确保桥梁使用安全.

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Design and installation of longitudinal vibration isolation of reinforced concrete bridge

XIONG Shanm ing1，ZHOU Guimei2
（1.Jiangxi Province Gannan Highway Survey and Designing Institute，Ganzhou 341000，China；2.Fujian Communications Planning and Design Institute，Fuzhou 350004，China）

Through the summary of the isolation design methods in Europe，America and Japan，this study chooses two-stage standard response spectrum analysismethod，uses the nonlinear dynamic time history to check the results，and designs and checks the actual highway bridge isolation.The results show that:in the low level of seismic action，the pier cross-section can be designed according to theminimum reinforcement ratio；In the high level of seismic action，the pier has entered a stage of yield，and after yield，with the method of nonlinear dynamic time history analysis，the bridge isolation ability can be checked to meet the design requirements.The deformation ability of abutment and pier，the periodic of structure，and capacity for isolation are greatly enhanced.The proposedmethod is an important safeguard of seismically active area of bridge design. Key words:bridge engineering；isolation；response spectrum method；the nonlinear dynamic time history analysismethod；deformation；the rubber isolation bearing

U441.3

A

2095-3046（2015）05-0049-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.009

2015-04-27

教育部新世纪人才支持计划项目（NCET-10-0250）

熊山铭（1987-），男，工程师，主要从事公路桥梁设计与科研等方面的研究，E-mail:330723314@qq.com.