桥梁抗震设计关键点与减隔震技术的应用

李鹏程

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

近年来，我国路桥总里程数稳居世界第一，桥梁的数量不断增加，俨然已成为人们生活中必不可少的一种建筑结构。但是，我国地震频发，桥梁结构因地震而时常发生耐久性下降及失稳等问题，人民的生命和财产安全因此遭受了巨大损失。公路桥梁震害不但直接危及人们的生命安全问题，还给灾后救援工作带来了极大的困难与阻碍。因此研究桥梁抗震设计以及桥梁减隔震技术的应用，对于避免桥梁结构震害问题有着重要的研究意义。

1 桥梁结构抗震设计及震害特点

1.1 我国桥梁抗震设计研究现状

我国桥梁抗震研究起步较晚，1976年唐山大地震后，由于地震对结构的严重破坏，以及受桥梁结构破坏后的一系列严重后果的启示，抗震研究及抗震设计在桥梁中才真正得到发展。结构抗震分析早期主要采用静力理论，随着结构动力学的发展，20世纪40年代，地震反应谱法、结构动力时程分析法被逐渐应用到结构抗震设计分析中。到20世纪60年代，结构抗震理论研究步入成熟阶段。1977年颁布了《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004—89），进一步推动了我国桥梁抗震设计。

我国现行抗震规范在借鉴美国、日本等桥梁抗震规范的基础上，提出两水准设防和两阶段设计目标的关键抗震设计理念和设计方法，抗震设计迈出了一大步，实现了与国际的接轨。但中外桥梁实际建造体系不同，桥梁结构传力方式有所差异，借鉴时未全面考虑我国桥梁结构与国外的差异性，造成了我国公路桥梁抗震设计规范在指导实践时暴露出一些问题。

我国中小跨径公路桥梁上部结构利用板式橡胶支座铰接。美国大部分桥梁结构采用框架式桥墩，主梁和墩柱刚接。日本主要采用以钢支承为主的结构体系。

早期美国和日本公路桥梁抗震设计规范要求在地震作用下，路桥结构支座不发生破坏，保证桥梁上下结构传力不中断，上部结构地震作用力通过支座传给桥墩。我国现行桥梁抗震规范忽略了中外桥梁结构体系的不同，也要求中国桥梁传力体系不中断，即支座不发生破坏，并通过在桥墩顶预设耗能部件来耗散地震能。但我国桥梁的板式橡胶支座，属于塑性铰接，大震下不可避免发生损伤，背离了我国桥梁抗震设计规范对大震作用下保证结构上下传力不中断的要求，即实际上难以满足规范[1]。这也造成我国桥梁结构震害特点及损伤模式，参考和借鉴国外学者的研究，已经不能满足我国的现实要求，亟待更多的研究。

1.2 我国桥梁震害分析

1976年唐山大地震（7.8级）中，遭受震害的铁路桥梁占总数的39.3%。唐山地震中，铁路桥梁的主要破坏形式有以下几种[2]：

（1）墩台破坏：地震中铁路桥梁墩台出现了不同程度的损伤，桥墩产生横向裂纹，部分桥墩剪断，桥台下沉，路面变形破坏。

（2）桥梁纵、横向位移：地震中铁路桥梁梁体发生纵向和横向大位移，其中蓟运河铁路桥的多数桥支座震后偏离在桥墩外，其下行单线桥两孔钢梁在河心相撞，钢梁起落后，向下游横移0.7m左右等。

（3）支座破坏：在唐山地震中铁路桥梁支座破坏达19座。图1为唐山地震中桥梁震害图。

图1 唐山大地震桥梁震害图

2008年四川汶川地震（8.0级）中，据不完全统计有270余座桥梁遭到破坏。在汶川地震中，铁路桥梁的主要破坏形式有以下几种[3]：

（1）墩台破坏：此次地震中，墩台混凝土产生开裂与剥落破坏；水平向剪切破坏，距墩底1/3～1/6处出现明显的水平贯通裂缝。

（2）桥梁纵、横向位移：位于近场地震区的桥梁，上部结构均出现不同程度的纵横向位移破坏。

（3）支座破坏：汶川地震中，由于梁体位移造成支座弯曲或者剪切破坏，部分支座脱离梁体、支座上下板移位，甚至倾覆。图2为汶川地震中桥梁震害图。

图2 汶川地震桥梁震害图

通过这些震害现象分析，在桥梁抗震设计时，从传统的抗震设计手段上，首先应尽可能地采用整体规则性好的桥梁结构布置形式，避免结构不规则或质量和刚度不连续等；其次，应合理地选择桥梁上下结构的连接形式，对于高桥墩的桥梁，适当地选择刚性连接，对于矮桥墩的桥梁，建议选择塑性铰连接，同时注意桥墩的搭接长度和梁设置的合理性。两次地震后，桥梁的震害统计发现，采用板式橡胶支座的桥梁，虽然容易造成上部结构发生位移，但其混凝土挡块在地震中的适当牺牲，可作为地震能量耗散结构，能够有效降低桥梁下部结构所受的地震力。地震中，采用板式橡胶支座的桥梁属于广义的隔震措施，支墩损伤较轻。但是在抗震设计中如何把握挡板损伤程度，并控制上部梁体的位移在可接受范围内，仍然需要更多的研究。

2 减隔震技术研究

2.1 桥梁减隔震技术的研究与应用

基于上述我国桥梁的主要震害特点分析，地震时，桥梁结构的下部结构会产生很大的力和位移，而上部结构的变形，主要取决于上下部结构的质量、刚度和耗能等。当桥梁结构设计尺寸、结构形式、材料等确定后，其质量和刚度的可变冗余度较小，能够进行抗震控制的关键点最终落在结构地震能力耗散的多少及耗能的有效性上。

传统的桥梁抗震手段在结构抗震有效性方面具有局限性。减隔震设计的桥梁，通过隔震和耗能装置，致力于结构地震能量的耗散与结构地震作用的控制，可以在地震时有效地控制桥梁的地震力和位移，从而提高结构的抗震能力和性能。

1881年日本学者河合浩藏首先提出基础隔震的概念。随后桥梁减隔震的研究进入繁荣期。目前应用在桥梁上的减隔震装置主要有橡胶类支座、摩擦类支座、弹塑性阻尼器等。

基于前人的研究分析，叠层橡胶支座的本构模型可以采用线性模型来表示。铅芯橡胶支座的力学模型可以用双线性分析模型来表示。摩擦摆式支座的恢复力模型为双线性。由此可见，不同的减隔震装置，其自身刚度、弹塑性、耗能水平等不同，造成其计算力学模型不同，在进行桥梁减隔震设计及研究时，对减隔震装置的力学性能分析是各种研究开展的重要前提。

随着基于性能的结构抗震设计理论与各种减隔震技术的发展，结构抗震设计由降低结构地震响应向更高水平的优化结构性能控制的方向不断发展。结构抗震设计迈向一个新阶段。

2.2 减隔震桥梁地震反应分析

本文对减隔震桥梁的抗震性能研究，依托于某预应力混凝土简支箱梁桥结构工程实例，本工程拟采用E型钢阻尼隔震支座，E型钢阻尼支座是把普通橡胶支座与弹塑性软钢阻尼元件结合起来使用，目前在公路桥梁抗震设计中得到广泛的应用。

E型钢阻尼元件的力学模型，可简化为杆系模型进行分析，其中两边与桥梁下部结构联系的点作为铰支，中间与桥梁上部结构联系的点作为可动，如图3所示。

图3 E型钢力学模型

式中:σy为E型钢板的屈服强度；εy为屈服应变；εmax由选用的钢材决定；s为板厚；b为直臂段的宽度;h为力臂；b1为中间臂的平均宽度；b2为侧臂的平均宽度；l为E型钢板直臂段长度。

综合计算可得，E型钢阻尼元件的力学模型，在此基础上叠加盆式橡胶支座的力学模型，可得到组合减隔震支座的力学模型，E型钢阻尼支座的力学模型如图4所示。

图4 支座力学模型

本文以日本地震分析软件FRAME分别建立工程实例桥梁的隔震桥梁计算模型和非隔震桥梁计算模型。在有限元模型中，主梁采用线弹性梁单元，桥墩采用线弹性梁单元，减隔震支座变形采用双直线弹簧单元。建立基础—桥墩—支座（减隔震支座）—梁体的数值模型。

本文以采用E型钢阻尼支座的桥梁为建模对象，从PEER地震动数据库选取3条历史地震动记录：EICentro波、SanFernando波和汶川地震波，作为地震动输入条件，进行结构动力时程反应分析。通过分析，计算非隔震桥梁与隔震桥梁在地震作用下：支座损伤（以地震作用下支座位移是否超过支座所能承受的极限位移，判定支座损伤与否）、梁体相对位移、墩底最大剪力等结构地震响应，结果如图5～7所示。

图5 支座损伤

图6 梁体相对位移

图7 墩底剪力

通过对比分析可得：虽然隔震桥梁隔震支座位移大于非隔震桥梁支座位移，但隔震桥梁支座损伤远小于非隔震支座损伤；隔震桥梁梁体相对位移明显小于非隔震桥梁梁体相对位移；隔震桥梁地震作用下结构的墩底剪力最大值明显小于非隔震桥梁。由此可见，减隔震技术是一种行之有效的桥梁结构抗震措施，可以明显降低结构地震力作用。在研究过程中发现，隔震桥梁的减隔震效果与结构自有周期和隔震后的结构周期有一定关系，可作为后续研究方向。在隔震设计时，除了明确隔震装置的力学性能，还应考虑结构周期与隔震后的结构周期关系，及其对结构抗震性能的影响。我国桥梁减隔震技术应用与实践，不如其他建筑结构的发展，减隔震桥梁技术与抗震性能等，仍需更多的应用与研究。

3 结论

（1）本文从国内外桥梁结构体系与传力分析方面，结合我国桥梁抗震设计规范，提出了桥梁结构抗震设计的不足；（2）通过分析唐山地震和汶川地震中桥梁震害特点，指明桥梁结构抗震设计结构控制方向及关键点；（3）通过理论分析与数值模拟，对比分析隔震桥梁与传统非隔震桥梁的地震响应，论证了减隔震技术是一种行之有效的桥梁抗震手段，为桥梁的抗震设计提供参考，推动减隔震技术在桥梁中的应用与研究。