桥梁抗震设计体系论述及高吨位桥梁减隔震设计方法优化

摘    要：抗震设计体系分为延性设计体系和减隔震设计体系，本文对桥梁减隔震设计体系进行了论述及总结，并针对现行的高吨位桥梁采用的摩擦摆减隔震支座，提出了一种改进的減隔震设计思路，经过计算分析，具有经济效益和可操作性。

关键词：减隔震;支座;抗震

1  概述

桥梁在交通中起到节点枢纽的功能，在地震发生时，是控制抗震救灾的瓶颈节点，一旦损坏，修复往往很困难，等同切断了抗震救灾的生命线，因此保证桥梁结构在地震下的安全尤为重要。汶川地震、玉树大地震的发生，给国民带来了惨痛的教训，我国的建筑抗震设计也得到了国家层面的高度重视，桥梁的减隔震设计研究工作也在积极开展。

根据我国现行的桥梁设计规范，抗震设计原则为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，为满足此设计原则，需要进行抗震设计，对应抗震设计体系可分为延性设计体系和减隔震设计体系。

2  抗震设计体系

2.1  延性设计体系

延性抗震设计体系的核心是“抗震”，即考虑让结构本身提供抵抗地震作用，保证结构的整体安全。其由刚性结构体系和柔性结构体系演化发展而来的，需协调的设计结构的强度和刚度，地震作用下，结构从弹性进入到塑性状态，同时具有较大的延性，从而能够消耗结构能量，达到损坏但不倒塌的效果。

具体设计中，在“中震可修”的状态，桥梁结构部分节点出现塑性铰，但结构的承载能力却没有降低，能够缓慢的吸收地震能量;但在“大震不倒”的状态下，结构的塑性铰节点又具有可控的变形，不至于倒塌。

延性抗震设计体系能充分的利用结构材料本身的特性，经济合理，但结构本身的损伤无法避免，同时其理论体系还在发展过程中，计算体系复杂，取决于设计人员把控能力，对设计人员的职业素质要求较高。

2.2  减隔震设计体系

相对延性设计体系是在地震作用下被动的抵御，减隔震设计体系则是主动的消耗地震作用。

在地震动作用下，通过减隔震装置将地震作用和构件隔离，并通过减隔震装置来消耗地震作用，起到减小结构构件承受地震作用的效果。

地震作用下的加速度反应谱如图1所示，位移反应谱如图2所示，反映了在不同阻尼作用下下，地震加速度和位移虽地震周期的变化规律。

因此延长结构的周期、增加结构的阻尼，能够有效的降低地震作用时的位移和加速度响应。减隔震技术即利用了此性质，达到减少地震作用的目的。

减隔震技术能有效减轻地震作用，提升房屋建筑工程抗震设防能力[1]，同时概念清晰，过程可控，各建设主管部门正在有计划，有部署，积极稳妥推广应用[2]。

3  桥梁减隔震结构装置

按照相关设计规范的要求，常用的桥梁减隔震装置可以分为分离型减隔震装置和整体型减隔震装置。

分离型减隔震装置主要是常规支座和阻尼器结合，如橡胶支座分别和摩擦阻尼器、金属阻尼器、粘性材料阻尼器组合等等。分离型减隔震装置安装复杂，构件需相互协调工作，受力分析繁琐，目前在桥梁结构实际工程中应用较少。

整体型减隔震装置也即减隔震支座，是指支座本身具有支撑上部结构的功能外，内部还有相应的构件消耗地震作用，常用的有高阻尼橡胶支座、摩擦摆减隔震支座、铅芯橡胶支座等。相对分离型减隔震装置，整体型减隔震装置构件集成，减隔震思路清晰，在目前的桥梁抗震设计中应用较广。

4  减隔震支座

4.1  橡胶型减隔震支座

橡胶型减隔震支座主要是由钢板和橡胶片组成。钢板用来限制橡胶片的横向变形，同时增加支座的竖向刚度;橡胶则是耗能构件，通过橡胶来隔离上、下部的地震作用，通过其变形来消耗地震作用。

铅芯橡胶支座则是在支座中心放入铅芯，优化支座的阻尼性能，减隔震效果更明显。

橡胶型减隔震装置成本低、安装方便、构造简单、受力明确、加工容易，因此目前是在桥梁结构中应用最广泛的一种减隔震装置。

但其缺点是受橡胶本身特性的限制，在高寒冷地区、对于吨位较大的桥梁结构不适用，其竖向最大承载力一般控制住10MN作用。

4.2  摩擦摆型减隔震支座

摩擦摆减隔震支座是巧妙利用本身的构造特性起到减隔震作用，其核心出发点是在地震作用下，支座上下可以在曲面上自由的摆动，在自重作用下有自恢复的效应。其利用钟摆原理实现减隔震功能，支座通过滑动界面摩擦消耗地震能量实现减震功能，通过球面摆动延长梁体运动周期实现隔震功能[3]。

摩擦摆支座中设置抗震销钉，在小震及中震作用下，抗震销钉不剪断，仅主墩承受地震作用，可控制结构的位移;在大震作用下，摩擦摆支座中的抗震销钉剪断，固定墩转化为活动墩，全联承受地震作用，其位移也相应增大。

摩擦摆支座能适应较大的吨位，在大跨度桥梁设计中应用更为广泛。基于上述的摩擦摆减隔震支座抗震原理，本文以实际工程为例，提出了摩擦摆支座抗震设计的优化方法，并与常规的设计思路进行了对比。

5  工程背景

5.1  总体布置

河南郑州某工程采用了30+50+30m的预应力砼现浇大箱梁，桥梁横断面布置为双六，横断面宽度为25.5m。

桥梁的立面布置图如图3所示。

横断面布置如图4所示所示。

5.2  构造设计

横梁整体式箱梁断面为大挑臂弧形斜腹板箱梁断面形式，双向横坡，跨中截面高度为200cm，中墩截面高度为300cm，以二次抛物线过渡。

横断面两侧挑臂长度均为5.4m，挑臂与外侧腹板弧线半径7.5m，外侧腹板与箱梁底板倒圆弧半径3.75m，挑臂端部厚度为0.2m;桥面板厚度为220mm，底板厚度为220mm～400mm，腹板厚度为400mm～600mm。

下部结构采用曲线“H”型双肢墩，墩身上段为稍微外展，中墩平均高度为8.35m。立柱尺寸为200×240cm（横桥向×顺桥向）。

5.3  抗震设计

郑州地震设计分组为第二组，抗震基本烈度为Ⅶ度，抗震措施设防烈度为Ⅷ度，地震动峰加速度值为0.15g。根据《城市桥梁抗震设计规范》规定：抗震设防分类为乙类，抗震设计方法为A类。

本工程的抗震体系采用整体型减隔震装置，为满足支座的吨位要求，采用的是摩擦摆减隔震支座，在较高的墩上设置固定支座，使较高的墩成为固定墩。

支座布置如图5所示。

6   优化抗震设计思路

6.1  常规抗震设计思路

如前文所述，摩擦摆支座中设置了抗震销钉，在E1地震作用下，抗震销钉不剪断，仅靠桥梁的固定墩来承受全部地震荷载，其他墩不承受地震荷载作用，这会导致：

（1）固定墩的构件设计加强较多。因仅固定墩承受全部E1地震荷载，固定墩的立柱配筋以及对应的下部桩基设计均需要大大加强，不经济。

（2）支座吨位较大。支座的水平承载力是竖向承载力的0.1倍左右，为了满足E1地震下水平承载力的要求，需要对应加大支座的规格，但对正常使用状态下的竖向承载力来说，是富裕非常多的，不经济。

（3）非固定墩需要参与承受E2地震下的作用，其配筋仍要满足地震下荷载的要求，无法减少。

6.2  优化抗震设计思路

基于上述问题及摩擦摆型减隔震支座的原理，本文提出了一种优化的减隔震设计方法：

固定墩仅是在正常使用状态下的固定墩，在E1地震作用下抗震销钉即剪断，全联桥墩均参与到减隔震作用来，起到减少固定墩的材料用量，起到优化减隔震的抗震思路和过程。

6.3  两种抗震设计思路计算对比

计算软件采用Midas Civil，下部基础按照刚度相同的边界条件约束（经工程实际证明，能够满足抗震设计的精度要求），上部采用三维梁单元，实际模拟立柱的尺寸和高度等参数，抗震计算模型如图6所示。

桥墩横向设置两个支座，E1地震作用下，固定墩承受的全部水平力约为580t;E2地震作用下，固定墩承受的全部水平力约为1220t。

本工程实际设计中，为了满足E1地震下抗震销不剪断，E2地震下抗震销剪断，固定墩支座的吨位选用的55MN，水平承载力为55t，活动中墩选用支座吨位27.5MN。

按照优化的抗震设计思路，固定中墩和活动中墩均选用27.5MN规格的支座。在静力作用下，仅固定中墩承受静力水平荷载，在E1和E2作用下，固定中墩抗震销钉剪断，转化为活动中墩，全联抵抗地震力。

经过结构计算分析，按照优化的抗震设计思路进行本工程的设计，可在以下方面减少材料用量：

（1）固定墩的支座吨位从55MN降低到27.5MN。

（2）固定墩桥墩的主筋由2层32@100减少到了1层32@100。

（3）固定墩桩基设计为15根直径150cm的钻孔灌注桩，桩长由56m减少到了42m。

6.4  优化的抗震设计思路问题

（1）结构位移较大。减隔震的中心思想是通过减隔震构件自身的变形来降低地震力响应，按照优化的抗震思路，则会大幅度增加桥梁的变形。按照优化的抗震设计思路，經计算分析，本工程的纵向梁端位移在E1地震下为5.7cm，在E2地震下为13.6cm。

可见E2地震下的变形非常大，需要采用相应规格的伸缩装置才能满足此变形。

（2）E1地震作用后，即需要更换支座。

相对E2地震作用，E1地震发生概率更大。常规设计思路E1地震下不需要更换支座，仅E2作用下需要更换支座。

优化的设计思路下，E1、E2作用下均需要更换支座，增加了养护维修的费用。

7  结论

本文对现行的抗震设计体系进行了论述及总结：延性设计体系虽经济可行，但对设计人员的要求较高，且会产生结构损伤，在现行的桥梁结构设计中采用较少;减隔震设计体系受力明确，效果明显，在桥梁减隔震设计中采用的较多。

此外，针对目前高吨位的桥梁所采用的的摩擦摆减隔震支座，从减隔震原理出发，提出了一种综合经济效益、又切实可行的优化设计思路，供相关设计人员思考和采用。

参考文献：

[1] 住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）（建质〔2014〕25号）.

[2] 周涛.大吨位城市高架桥梁减隔震设计新思路[J].中国市政工程，2018.4

[3] T/T 852—2013.公路桥梁摩擦摆式减隔震支座[S].

作者简介：

周涛（1985—）男，民族：汉族，籍贯：山东省莱阳市，学历：硕士毕业院校：同济大学，职称：工程师，现就就职于：上海市政交通设计研究院有限公司，研究方向：桥梁。