分析隔震设计在桥梁设计中的重要作用

梁 燕

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概况

某桥梁工程总长91 m，桥面设计宽度为28 m，结构采用双层钢桁架，下部结构采用混凝土墩，1#墩采用固定墩，安装固定支座，2#墩采用自由墩，安装滑动支座。所有桥墩均为柱式墩，两侧和中间墩均为矩形墩，尺寸分别为1.2 m×1.2 m、1.2 m×2.1 m，墩身的高度相同，均为6.8 m。现结合该桥梁工程实际情况，对其减隔震设计作如下深入分析。

2 桥梁减隔震设计

在桥墩的抗震设计过程中，一般采用两种方法，即延性设计与减隔震设计。隔震主要目的在于分离结构和可能产生破坏影响的地面运动。想要实现这一目标可通过对结构自身基本周期适当延长来实现，减小结构自身地震力，通过结构周期适当延长来实现减小地震力的目标；为对变形进行控制，可在结构当中安装阻尼装置，以此提高结构自身阻尼，起到减小结构位移作用。

针对该桥梁，决定将固定墩取消，并安装具有减隔震作用的支座，这样能在分散地震力实际分布的基础上，对上部结构进行隔离，从而有效减小结构的地震力。

采用以上减隔震方法的桥梁，在E2地震持续作用后，耗能部位处在连接构件，如支座和专门的耗能装置，这样能防止桥梁的上、下部结构与基础产生损伤，处于弹性工作范围之内，无需在E1条件下实施地震计算。基于此，本次地震反应分析都采用E2条件下的模型，计算模型采用三维空间有限元分析模型。桥墩在进行隔震之前和之后的对地震作用的相应情况为：(1)隔震之前，固定墩底部弯矩和剪力分别为12 690 KN·m、2 062 KN，顶部位移为3.1 cm；自由墩底部弯矩和剪力分别为2 123 KN·m、336 KN，顶部位移为0.51 cm。(2)隔震之后，固定墩底部弯矩和剪力分别为2 387 KN·m、395 KN，顶部位移为0.57 cm；自由墩底部弯矩和剪力分别为2 168 KN·m、358 KN，顶部位移为0.52 cm。

进行减隔震设计后，通过对地震响应的对比，采用固定墩时的底部弯矩在安装具有减隔震作用的支座以后，明显变小，自由墩底部弯矩小幅增加；两侧桥墩底部弯矩没有太大的变化，而且都处于抗力范围之内，这说明在E2条件下墩身依然处于弹性工作范围，满足规范提出的要求。

根据减隔震设计基本原理可知，在进行了减隔震设计之后，将使结构位移明显增加。以上设计结果也验证了该点，即隔震设计之后上部结构实际位移为10.2 cm，比减隔震设计之前实际位移相对较大。

3 桥梁减隔震设计的优化

若桥梁的抗震设计过程中采用的是减隔震方法，则确定适宜的支座参数为重要课题，对于特定桥梁结构体系，应使用与之相匹配的桥梁支座，使用参数和结构相匹配的支座，能在最大长度上发挥支座的效能，起到减小地震作用对桥梁造成的破坏的重要作用。

对结构在非线性地震作用下的响应分析重点是要建立滞回模型，在本次分析工作中，主要采用的是Bouc-Wen模型。根据以往的实验结果，支座模型主要由三个参数进行控制，即为屈服力、屈服前和屈服后的刚度。按照相关技术规范，第二刚度系数为0.15左右。当支座参数有所不同时，桥梁对地震作用的相应将有明显差别。为此，对不同参数情况下的模型，实施动力时程分析与研究(动力时程分析是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法，本身就是一种分析方法)，在桥梁的计算模型当中，上、下部结构都视为处于弹性状态。

为明确支座参数对结构地震作用响应造成的影响，以支座特点为依据，根据工程的实际状况，对6种具有减隔震作用的支座进行分析，其参数和地震响应结果如表1所示。

表1 不同支座的参数和的地震响应结果

根据表1结果可知：上部结构产生的位移在102～129 mm范围内，最大和最小值的差值百分比为26.5%；墩身底部的弯矩在1 595～2 462 KN·m范围内，最大和最小值的差值百分比为35.5%；由此可以看出，结构整体抗震效果和减隔震支座各项参数有十分密切的关系，即采用适宜的参数能保证减隔震效果。1#和2#制支座在屈服前刚度上有很大差值，仅屈服力就相差了33%，1#支座墩身底部弯矩比2#支座小，且上部结构的实际位移有所增加；3#和4#两个支座的屈服力完全相等，但屈服前刚度有37%的差别，与之前相同，当支座刚度相对较大时，墩身底部弯矩增加。以上结果都说明在实际的减隔震设计过程中若想减小实际地震力，可从以下两个方面入手，即减小屈服力与屈服前刚度。以上支座墩身底部弯矩都处在允许抗力范围内，因减隔震设计过程中需要在减小墩身底部剪力的基础上控制上部结构产生的位移，所以相比之下1#和4#两个支座比较合适。另外，因上部结构的自重可以达到1 000 t以上，所以为保证安全储备，需要选择具有较高承载力的支座。因此，1#支座是最为合适的。

4 结 论

(1)对初步设计方案进行计算后可得，无论是固定墩还是自由墩，其地震内力分布都无法达到均匀，相比之下，固定墩底部弯矩比自由墩大很多，而且固定墩底部弯矩可能会超出墩身抗力限度，进入到塑性状态当中，这对桥梁结构很不利。

(2)根据规范和以往相关经验，决定将固定墩取消，并安装具有减隔震作用的支座，经计算分析，墩身内力保持一致，同时墩身底部弯矩可以处在允许的抗力范围之内。

(3)通过专门的减隔震设计，即安装减隔震支座，能使墩身地震力保持一致，同时处在允许的抗力范围之内，无需采用其它工程措施，如增大墩身截面和增加墩身配筋。因此，安装具有减隔震作用的支座是一个合理有效的减隔震设计方法。在支座类型(参数)的选择上，通过对比，得出以1#支座为宜，其参数包括：①截面形状为圆形；②尺寸为670 mm；③承载力为3 200 KN；④屈服力为162 KN；⑤屈服前刚度为8 600 KN/m；⑥墩底部剪力为296.8 KN；⑦墩底部弯矩为1 775 KN·m；⑧上部结构位移为120 mm。