桥梁抗震设计关键点与减隔震技术的应用探究

张家伟

摘要 为了提高桥梁抗震设计水平，文章首先总结了桥梁结构在E1、E2地震作用下的抗震设计目标，并从桥梁结构抗震体系和构造细节（横向钢筋、纵筋、节点等）两方面分析了桥梁抗震结构的设计要点。随后，以某高速公路曲线桥为研究对象，利用数值软件计算出其地震响应规律。最后，探讨了铅芯橡胶支座、高阻尼支座的减隔震原理及应用效果，研究成果可为桥梁抗震设计提供理论依据。

关键词 公路桥梁；抗震目标；抗震体系；抗震构造；地震响应；减隔震支座

中图分类号 U442.55文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0076-03

0 引言

地震是我国最常见的地质灾害（尤其是山区丘陵地带），其破坏力巨大。桥梁是公路沿线重要的构造物，在地震作用下容易遭受破坏，比如结构开裂、墩柱倾覆、落梁等，并影响抗震救援工作，从而造成人员伤亡及不良的社会影响。传统的桥梁抗震设计通过增大结构强度和抗变形能力等实现，这种设计不经济、不合理。因此，进一步研究桥梁抗震设计的关键点及减隔震技术具有重要意义。

1 桥梁抗震设计目标

不同公路桥梁的结构不同，所处的地震烈度区域不同。在开展桥梁抗震设计之前，应先明确抗震设计标准及对应的抗震设计目标。

由《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）可知，A类、B类、C类桥梁需采用两水准抗震设防（E1地震作用、E2地震作用），D类桥梁可只采用一水准抗震设防（E1地震作用），不同桥梁在不同地震作用下的抗震设计目标见表1所示[1]。

2 桥梁抗震结构设计要点分析

2.1 桥梁结构抗震体系设计

桥梁结构抗震体系是指用于抵抗水平向、竖向地震作用的各种桥梁结构的总称，应有可靠、稳定的传力途径、位移约束及能量耗散位置。在开展桥梁结构设计时，可基于“能力保护设计”原则，即使桥梁结构体系中的延性构件和能力保护构件之间存在强度等级差异，确保结构损伤只出现在延性构件上，且不发生脆性破坏，具体设计过程如下[2]：

第一，选择合理的结构布局。一般情况下，桥梁结构布局越规则，强度和刚度分布越均匀，抗震性能也越好。

第二，选择桥梁结构在地震作用下可能出现弯曲塑性铰的位置，并利用强度和延性设计提高塑性铰区域的延性能力。以梁桥为例，其弯曲塑性铰多出现在墩柱上，可将其视作延性构件（能发生弹塑性变形）开展抗震设计。双墩柱梁桥塑性铰示意如图1所示。

第三，确定适当的强度等级，使产生塑性铰的构件不出现破坏模式。

2.2 桥梁抗震构造细节设计

（1）墩柱横向钢筋设计。横向钢筋可明显改善公路桥梁墩柱的性能，比如约束塑性铰区域的混凝土，提高混凝土抗压强度、延性、抗剪切强度，以避免纵向钢筋压曲。

闭合方式：由于桥梁墩柱的混凝土保护层在地震作用下容易剥落，不会对横向钢筋产生约束作用，也难以为横向钢筋提供锚固。因此，横向箍筋可焊接闭合，或者将端部弯过纵向钢筋到混凝土核心内，角度≥135 °。

布置间距：为了防止墩柱纵向钢筋受竖向承载力压迫发生屈曲，横向箍筋间距不应过大。国外学者普里斯特利（Priestley）给出了横向箍筋间距最大值s的计算公式，见式（1）：

式中，ds——墩柱纵筋直径（mm）；fu、fy——纵筋屈服强度、纵筋极限强度（MPa）。

《公路桥梁抗震设计规范》基于上述成果，又提出横向箍筋间距应小于10 cm、6ds或b（墩柱截面的短边宽度）。

最小配筋率：以圆形墩柱截面为例，桥梁抗震设防烈度取Ⅶ度或Ⅷ度时，其最小配筋率ρmin可按式（2）计算；抗震设防烈度取Ⅸ度及以上时，最小配筋率应适当提高。

式中，ηk——墩柱轴压比；ρt——纵向配筋率（%）；fck、fyh——混凝土抗压强度标准值、横向箍筋抗拉强度设计值（MPa）。

（2）墩柱纵向钢筋设计。墩柱纵向钢筋在地震作用下容易出现“黏结破坏”，故纵向钢筋在设计时应将其延伸至盖梁顶面和承台底面。同时，墩柱纵向钢筋的锚固和搭接长度应在满足现行公路桥涵设计规范的基础上增加10ds，且不应在塑性铰区域内搭接纵向钢筋。

式中，fcd——混凝土抗压强度设计值（MPa）。

3 桥梁对地震作用的响应分析

3.1 工程概况

（1）桥梁结构参数。该文研究对象为某公路曲线梁桥，其设计荷载为公路-Ⅱ级，抗震设防等级为Ⅶ度，上部结构为等截面连续箱梁（C40混凝土）；跨径全长为100 m，跨径组合为（30+40+30）m，桥面宽度为8.5 m；共设置4处桥墩（见图2所示），其中1#墩和4#墩是圆柱形双柱墩，2#墩和3#墩是圆柱形独柱墩，桥墩（C30混凝土）高度约8～10 m；桩基（C30混凝土）采用钻孔灌注桩，桩径1.8 m、桩长20 m，墩柱的抗震构造细节均按上节方法进行设计。同时，支座采用板式橡胶支座。

（2）地质、水文条件。根据桥梁的钻探勘察资料，在地面线以下0～2 m，地层为杂填土及黏性土层，呈硬塑状态，承载力较弱，土层剪切波速为220 m/s；地面线以下2～8.5 m为粗砂层，呈中硬状态，土层剪切波速为330 m/s；地面线以下8.5～15 m为密实碎石层，呈坚硬状态，土层剪切波速为520 m/s；地面线以下15 m至桩底嵌入坚硬完整的基岩中。

桥梁所在区域的地下水位较高，尤其是夏季连续降雨时段，地下水受到大量补给，其埋深可达0.5～1.2 m。

3.2 桥梁抗震分析模型

为了验证桥梁结构对地震作用的响应情况，该文基于SAP2000软件建立桥梁结构的抗震计算模型。

（1）桥梁结构模拟。上部结构模拟：梁单元、板壳单元是公路桥梁抗震动力分析的常用模拟单元，其中梁单元的建模简单，可直接计算截面内力，而板壳单元计算精度更高，但建模工作量较大、对计算机硬件要求高，且无法计算出截面内力。综合考虑建模效率和计算准确性，建议采用SAP2000软件中的梁单元模拟该桥梁的上部结构，将主梁每间隔1 m划分为1个单元，共划分出100个单元。

支座模拟：该公路桥梁的板式橡胶支座由薄橡胶片和钢板相互交错而成，是利用橡胶剪切变形实现微量水平位移、利用橡胶不均匀压缩实现转角。结合大量工程试验，板式橡胶支座滞回曲线为狭长形，其应力应变关系基本呈线弹性，因此，在开展桥梁抗震分析时，可用线弹簧单元模拟板式橡胶支座，其水平刚度取1.6×104 kN/m。

桩-土作用模拟：桩基础与土的相互作用会影响其承载力。为了准确模拟这一影响，可将桩基础每间隔0.5 m划分为1个单元，并在节点处设置节点弹簧。

（2）地震波输入。地震波是保证桥梁抗震响应准确计算的前提，但地震波无法预测，其分布不仅在时间和空间上具有随机性，波形和频率也有很大的随机性。

目前，获取地震波常用以下三种方式：一是根据桥梁建设场地的土层反应确定地震加速度时程，其准确性最好，但耗费的人力物力资源多，花费多；二是查阅拟建桥梁的场地条件及抗震设防烈度，并在已有强震记录中选择条件相似的地震波输入；三是利用规范反应谱人工合成地震波，合成方法可选用三角级数法。

该文选用第三种方法获取地震波，反应谱拟合参数见表2所示：

3.3 桥梁地震响应结果分析

以公路桥梁的2#墩为例，利用SAP2000软件计算出墩顶和墩底在E1、E2地震作用下的位移响应，计算结果如图3所示：

由图3可知，在E1地震作用下，桥梁墩顶和墩底位移分别为150 mm、65 mm；在E2地震作用下，桥梁墩顶和墩底位移分别为185 mm、90 mm。由此可知，桥墩在E1地震作用下的位移响应小于E2地震作用，满足现行规范要求。

4 桥梁减隔震技术应用分析

（1）减隔震体系要求。减隔震技术属于被动控制技术，是利用各种减隔震支座延长桥梁结构的基本周期，使其避开地震能量集中区域，以降低地震力对结构的损伤。为了实现减隔震目的，减隔震体系应具有良好的柔性、耗能能力，且保证其在正常使用荷载下不会发生屈服。

（2）常用减隔震措施。公路桥梁中常用的减隔震措施有铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

铅芯橡胶支座是在普通板式橡胶支座钻孔，并填充金属铅芯而成。铅有良好的塑性变形能力和能量吸收能力。一旦受到地震作用，铅芯橡胶支座中的铅芯会产生屈服，起到“隔震”作用。同时，铅芯的滞回耗能作用好（可用双线性滞回模型表示），能消耗大部分地震能量，起到“减震”作用。铅芯橡胶支座的非线性力学特性一般可以用双线性滞回模型表示。

高阻尼橡胶支座是利用复合橡胶材料支座，其阻尼高、耗能能力强，能减小作用在桥梁结构上的地震能量。同时，高阻尼橡胶支座在结构变形较小时适用性好。随着结构变形增大，支座刚度会软化。当剪应变大于200%时，支座刚度则会硬化，减隔震效果变差。

（3）应用效果分析。将上述两种支座分别设置在桥梁结构的抗震分析模型中，计算出桥梁在E1、E2地震作用下的最大剪切应变，如图4所示：

由图4可知，设置减隔震措施后，桥梁结构的剪切应变有明显降低；在相同地震作用下，铅芯橡胶支座对应的剪切应变小于高阻尼橡胶支座，说明铅芯橡胶支座的减隔震效果更好。

5 结束语

该文主要研究桥梁抗震设计目标、结构设计、地震响应及减隔震技术的应用效果，得到了以下几个结论：

（1）公路桥梁可划分为A～D类，除D类桥梁外，其他桥梁均采用两水准抗震设防。

（2）为了提高桥梁抗震性能，其结构体系应合理布局，明确塑性铰位置，使各个构件之间存在强度差异，并对墩柱合理配筋。

（3）桥梁结构抗震分析可用梁单元模拟，并利用规范反应谱人工合成地震波。

（4）桥梁结构在E2地震作用下的位移响应明显大于E1地震作用，且在设置减隔震措施后，桥梁的剪切应变有明显降低。

参考文献

[1]苗润池， 魏标， 何友娣. 公轨合建大跨长联桥梁减隔震设计关键技术研究[J]. 交通科技， 2024（1）： 67-70.

[2]王坚. 高烈度地区山区桥梁抗震设计探讨[J]. 工程建设与设计， 2023（23）： 88-90.