淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)方法與減隔震技術(shù)

文/王俊茹 劉 麟

淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)方法與減隔震技術(shù)

文/王俊茹 劉 麟

1、橋梁震害概述

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快、城市人口的大量聚集和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)在整個城市生命線抗震防災(zāi)系統(tǒng)中的重要性不斷提高，對橋梁的依賴性越發(fā)增強(qiáng)。而近幾十年全球發(fā)生的多次破壞性大地震表明，作為抗震防災(zāi)、危機(jī)管理系統(tǒng)重要組成部分的橋梁工程在地震中受到破壞，將嚴(yán)重阻斷震區(qū)的交通生命線，使地震產(chǎn)生的次生災(zāi)害進(jìn)一步加重，給救災(zāi)和災(zāi)后重建工作帶來極大困難。同時，橋梁作為重要的社會基礎(chǔ)設(shè)施，投資大、公共性強(qiáng)、維護(hù)管理困難。提高橋梁的抗震性能是減輕地震損失、加強(qiáng)區(qū)域安全的基本措施之一。根據(jù)以往地震中橋梁的震害情況，鋼筋混凝土橋梁常見的破壞形式主要分為上部結(jié)構(gòu)破壞、支座破壞、下部結(jié)構(gòu)破壞和基礎(chǔ)破壞等。

2、橋梁抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

2.1基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法

早期的抗震設(shè)計(jì)基本采用基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法，將地震力當(dāng)作靜荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度或剛度是否達(dá)到特定的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)失效的準(zhǔn)則。且該方法是目前許多抗震設(shè)計(jì)規(guī)范仍采用的設(shè)計(jì)方法。

2.2基于延性的設(shè)計(jì)方法

結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)彈塑性破壞的特點(diǎn)，一些學(xué)者提出了基于反應(yīng)譜的延性抗震設(shè)計(jì)方法。該方法采用地震力修正系數(shù)調(diào)整反應(yīng)譜加速度或彈性分析的地震內(nèi)力，來反映不同結(jié)構(gòu)的延性需求。如美國AASHTO橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范就針對橋墩、基礎(chǔ)、支座等構(gòu)件，采用不同的地震反應(yīng)修正系數(shù)R對彈性地震力進(jìn)行折減，得到設(shè)計(jì)地震力。

2.3基于性能的抗震設(shè)計(jì)

基于性能的抗震設(shè)計(jì)實(shí)際上是一總體設(shè)計(jì)思想，主要指結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能達(dá)到一組預(yù)期的性能目標(biāo)?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)在指定強(qiáng)度地震下的破損狀態(tài)及其造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等控制在預(yù)期的目標(biāo)范圍內(nèi)，使結(jié)構(gòu)震后的功能得以延續(xù)和維持?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)的特點(diǎn)是使抗震設(shè)計(jì)從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡，將抗震設(shè)計(jì)由以保障人們生命安全為基本目標(biāo)轉(zhuǎn)化為不同風(fēng)險水平地震作用下滿足不同的性能目標(biāo)，從而通過多目標(biāo)、多層次的抗震安全設(shè)計(jì)來最大限度保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，滿足業(yè)主所需的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。基于性能的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括:1)科學(xué)的定義和確定地震危險性；2)確定結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下?lián)p傷狀態(tài)、性能水平和性能指標(biāo)；3)設(shè)計(jì)方法，主要包括承載力設(shè)計(jì)方法、位移設(shè)計(jì)方法和能量設(shè)計(jì)方法等。

3、橋梁減隔震技術(shù)

3.1 減隔震技術(shù)的概念和發(fā)展

減震是人為在結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置阻尼器或耗能構(gòu)件，改變結(jié)構(gòu)的動力性能，耗散結(jié)構(gòu)吸收的地震能量，從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。隔震則是指通過延長結(jié)構(gòu)的自振周期避開地震卓越周期或減小地震能量輸入，以此降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。對橋梁結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)的思想產(chǎn)生由來已久，減隔震技術(shù)自誕生以來，受到了廣泛的重視。第一座采用減隔震技術(shù)的橋梁是新西蘭的Motu橋，建于1973年，上部結(jié)構(gòu)采用滑動支承隔震，阻尼由U形鋼彎曲梁提供。該橋建成后，減隔震技術(shù)在橋梁抗震中得到了迅速推廣。美國第一次將減隔震技術(shù)用于橋梁是在1984年，用于對SierraPointBridge進(jìn)行抗震加固。1990年，美國新建了第一座采用減隔震技術(shù)的橋梁Sexton橋。在日本，第一座建成的減隔震橋梁是靜崗縣橫跨Keta河的宮川大橋，完成于1990年，是一座3跨連續(xù)鋼桁架梁橋，采用鉛芯橡膠支座作為減震構(gòu)件。

3.2 常用減隔震裝置

1)分層橡膠支座。分層橡膠支座，國內(nèi)常稱為板式橡膠支座。由薄橡膠片與薄鋼板相互交替結(jié)合而成，支座平面形狀多采用圓形或矩形。在抗震設(shè)計(jì)中主要考慮分層橡膠支座的水平剛度和阻尼作用等因素。橡膠支座的水平剪切剛度，指上、下板面產(chǎn)生單位位移時所需施加的水平剪力。橡膠支座通過在變形過程中消耗能量提供阻尼，這種阻尼主要取決于橡膠層變形的速度。以天然橡膠為主要材料制作的支座，典型的阻尼比為5%～10%。分層橡膠支座的力—位移滯回曲線呈狹長形，所提供的阻尼較小，因而在減隔震橋梁設(shè)計(jì)中，常與阻尼器一起使用。

2)鉛芯橡膠支座。鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座的基礎(chǔ)上，在支座的中部或中心周圍部位豎直地壓入高純度鉛芯以改善支座阻尼性能的一種減震支座。鉛芯具有良好的力學(xué)特性，具有較低的屈服剪力(約10MPa)，具有足夠高的初始剪切剛度(約130MPa)，具有理想彈塑性性能且對于塑性循環(huán)具有很好的耐疲勞性能，能夠提供地震下的耗能能力和靜力荷載下所必需的剛度。因此，由鉛芯和分層橡膠支座結(jié)合的鉛芯橡膠支座能夠滿足一個良好減隔震裝置所應(yīng)具備的要求:在較低水平力作用下，具有較高的初始剛度，變形很??；在地震作用下，鉛芯屈服，剛度降低，延長了結(jié)構(gòu)周期，并消耗地震能量。

3)滑動摩擦型減隔震支座?；瑒幽Σ列椭ё貌讳P鋼與聚四氟乙烯材料之間相當(dāng)?shù)偷幕瑒幽Σ料禂?shù)制成。也稱為聚四氟乙烯滑板支座。這種支座具有摩擦系數(shù)小，水平伸縮位移大的優(yōu)點(diǎn)，作為橋梁活動支座十分適宜。在地震作用下，滑動摩擦型支座允許上部結(jié)構(gòu)在摩擦面上發(fā)生滑動，從而將上部結(jié)構(gòu)能夠傳遞到下部結(jié)構(gòu)的最大地震力限制為支座的最大摩擦，同時通過摩擦消耗大量的地震能量。這類支座的缺點(diǎn)是沒有自復(fù)位能力，用作隔震支座時，支座響應(yīng)的可預(yù)測性和可靠性都不盡如人意，所以常與阻尼器和橡膠支座等其他裝置一起使用。

4)鋼阻尼器。鋼阻尼器利用鋼材的塑性變形來耗能。a.有橫向加載臂的均勻彎矩彎曲梁阻尼器，加載臂有一傾斜角度；b.錐形懸臂彎曲梁阻尼器；c.有橫向加載臂的扭梁阻尼器。鋼阻尼器的優(yōu)點(diǎn)是制造不需要特殊設(shè)備，費(fèi)用比較合適，堅(jiān)實(shí)耐用，又具有較大的耗能能力。試驗(yàn)研究表明，大多數(shù)鋼阻尼器的滯回曲線可用雙線性來近似模擬。不同類型鋼阻尼器的選擇取決于阻尼器放置的位置、可利用的空間、連接的結(jié)構(gòu)以及力和位移的大小。

鋼阻尼器通常和橡膠隔震支座一起使用，如聚四氟乙烯滑板支座與懸臂鋼阻尼器就是一種合理組合。

3.3 減隔震裝置的選擇

橋梁的減隔震系統(tǒng)應(yīng)滿足如下三個基本功能:1)具備一定的柔度，用來延長結(jié)構(gòu)周期，降低地震力；2)通過阻尼、耗能裝置等對地震力進(jìn)行耗散，并將支承面處的相對變形控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)；3)具備一定的剛度和屈服力，在正常使用荷載下結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服和有害振動。

進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)時，應(yīng)將重點(diǎn)放在提高耗能能力和分散地震力上，不可過分追求加長周期。而且應(yīng)選用作用機(jī)構(gòu)簡單的減隔震裝置，并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用。另外，減隔震裝置不僅要能減震耗能，還應(yīng)滿足正常運(yùn)營荷載的承載要求，因此選擇減隔震裝置時，還應(yīng)注意以下一些要求:1)在不同水準(zhǔn)地震作用下，減隔震支座都應(yīng)保持良好的豎向荷載支承能力；2)減隔震裝置應(yīng)具有較高的初始水平剛度，使得橋梁在風(fēng)荷載、制動力等作用下不發(fā)生過大的變形和有害的振動；3)當(dāng)溫度、徐變等引起上部結(jié)構(gòu)緩慢的伸縮變形時，減隔震支座產(chǎn)生的抗力應(yīng)比較低；4)減隔震裝置應(yīng)具有較好的自復(fù)位能力，使震后橋梁上部結(jié)構(gòu)能夠基本恢復(fù)到原來位置。

4、結(jié)語

隨著人類對地震災(zāi)害特性和橋梁工程震害特點(diǎn)的深化認(rèn)識和深入研究，橋梁抗震設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了從強(qiáng)度、延性設(shè)計(jì)到基于性能發(fā)展的過程，伴隨橋梁減隔震技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將大大提高地震作用下橋梁的安全性，減輕地震損失，并為震區(qū)的震后交通生命線暢通和救災(zāi)工作的順利提供有力保障?！?/p>

王俊茹，石家莊市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

劉 麟，石家莊市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司