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研究

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，提出了一种改进的减隔震设计思路，经过计算分析证明了该改进支座具有一定的经济效益与可操作性。

关键词：抗震设计;减隔震设计;减隔震支座

中图分类号：U442.5+5    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）05-0000-00

1 概述

桥梁在交通运输中扮演着重要的节点枢纽功能，当地震发生后，是控制抗震救灾的瓶颈节点，一旦损坏，往往修复很困难，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，我国高度重视建筑抗震设计相关的研究工作，关于桥梁的减隔震设计研究工作也在同步积极开展。根据我国现行的桥梁设计规范中的基本规定，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，相关的抗震设计体系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”，即让结构自身抵抗地震作用，保证结构的整体安全。延性抗震设计体系由刚性结构体系和柔性结构体系演化发展而来，在设计中需要协调结构的强度和刚度，保证结构在地震过程中从弹性进入到塑性状态始终具有较大的延性，从而能够消耗结构能量，达到损坏但不倒塌的效果。

在具体的工程设计中，为例达到“中震可修”抗震设防要求，部分节点出现塑性铰，但结构的承载能力却没有降低，使得桥梁自身能够缓慢的吸收地震能量;同时，在“大震不倒”的设防要求中，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本身材料的特性，经济合理。但是，结构体系的损伤无法避免，同时其理论体系还在发展过程中，计算体系复杂，在实际工程的设计过程中，对设计人员的职业素质和技术水平要求较高。

2.2 减隔震设计体系

相对于延性设计体系是在地震作用下被动的抵御地震灾害，减隔震设计体系则是主动的消耗地震能量。在地震过程中，通过减隔震装置的设置将地震作用和结构构件隔离，并通过减隔震装置来消耗地震能量，减小结构构件在地震中承受的破坏外力的大小。

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，地震加速度和位移大小随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过程中结构的位移和加速度响应。减隔震技术即通过延长结构的周期，达到减少地震作用的目的。鉴于减隔震技术具有能够有效减轻地震作用、提升房屋建筑工程抗震设防能力同时概念清晰、过程可控等优点，各建设主管部门正在有计划，有部署，积极稳妥的推广应用。

3 桥梁减隔震结构装置

按照相关设计规范的规定，常用的桥梁减隔震装置主要包括：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将常规支座和阻尼器结合起来使用，例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使用等。分离型减隔震装置安装工艺复杂，构件之间需相互协调工作，且传力路径不明确，所以，在桥梁结构实际工程中应用较少。整体型减隔震装置即减隔震支座，是指支座本身除了具有支撑上部结构的功能外，支座内部还有相应构件具有消耗地震能量的作用，常用的整体型减隔震装置主要有高阻尼橡胶支座、摩擦摆减隔震支座、铅芯橡胶支座等。与分离型减隔震装置相比，整体型减隔震装置构件组成简单，减隔震路线清晰，所以，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

橡胶型减隔震支座的组成部分主要包括钢板和橡胶片。钢板的功能主要是限制橡胶片的横向变形，同时增加支座的竖向刚度;橡胶的功能则主要是耗能，橡胶将结構的上、下部隔离开，通过橡胶的变形来消耗地震作用。铅芯橡胶支座即在支座中心放入铅芯，提高支座的阻尼性能，使得橡胶支座的减隔震效果更加明显。成本低、安装方便、构造简单、受力明确、加工容易，因此，橡胶型减隔震装置在桥梁结构中广泛应用。但是，橡胶型减隔震装置也有其自身明显的缺点，特别是在高寒冷地区，对于吨位较大的桥梁结构不适用，由于其竖向最大承载力一般控制住10MN作用，所以不适用于一些吨位较大的桥梁结构。

4.2 摩擦摆型减隔震支座

摩擦摆减隔震支座是通过支座本身的构造特性来实现减隔震功能，其减震原理是在地震过程中，支座上下可以在曲面上自由的摆动，在自重作用下实现自复位的功能。摩擦摆减隔震支座利用钟摆原理实现减隔震功能，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。摩擦摆支座中设置有抗震销钉，在小震或中震作用下，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。

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，以二次抛物线形式过渡。横断面两侧挑臂长度均为5.4m，挑臂与外侧腹板弧线半径为7.5m，外侧腹板与箱梁底板倒圆弧半径为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，中墩平均高度為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，地震动加速度峰值为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，存在如下不足：

（1）固定墩的构件设计加强较多。因为，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，其安全储备是非常多的，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，同样会造成不必要的浪费。

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，固定墩即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中来，减少固定墩的材料用量，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地震作用下抗震销不剪断，E2地震作用下抗震销剪断，固定墩支座的吨位选用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抗震设计，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。通过计算分析，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，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 结语

本文对现行的抗震设计体系进行了论述及总结：延性设计体系虽然经济合理，但对设计人员的要求较高，并且结构自身在地震过程中会产生损伤，在现行的桥梁结构设计方法中采用较少;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合理、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

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[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（2）：111-112+116+137.

[3] JT/T852-2013.公路桥梁摩擦摆式减隔震支座[S].

收稿日期：2019-05-06

作者简介：周涛（1985—），男，山东莱阳人，硕士，毕业于同济大学，工程师，研究方向：桥梁。

Discussion on the Seismic Design System of Bridges and Study on the Optimization of Seismic Isolation Design Method for High Tonnage Bridges

ZHOU Tao

（Shanghai Institute of Political and Transportation Design Co.， Ltd. ， Shanghai 200030）

Abstract： Seismic design system is divided into ductile design system and isolation design system， in this paper， the bridge isolation design system is discussed and summarized， in view of the friction pendulum isolation bearing used in high-tonnage bridges， an improved seismic isolation design idea is proposed， the calculation and analysis prove that the improved bearing has certain economic benefits and operability.

Key words： Seismic design; Seismic isolation design; Seismic isolation bearing