浅谈桥梁抗震设计方法与减隔震技术

文/王俊茹 刘 麟

浅谈桥梁抗震设计方法与减隔震技术

文/王俊茹 刘 麟

1、桥梁震害概述

随着城市现代化进程不断加快、城市人口的大量聚集和经济的高速发展，交通网络在整个城市生命线抗震防灾系统中的重要性不断提高，对桥梁的依赖性越发增强。而近几十年全球发生的多次破坏性大地震表明，作为抗震防灾、危机管理系统重要组成部分的桥梁工程在地震中受到破坏，将严重阻断震区的交通生命线，使地震产生的次生灾害进一步加重，给救灾和灾后重建工作带来极大困难。同时，桥梁作为重要的社会基础设施，投资大、公共性强、维护管理困难。提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施之一。根据以往地震中桥梁的震害情况，钢筋混凝土桥梁常见的破坏形式主要分为上部结构破坏、支座破坏、下部结构破坏和基础破坏等。

2、桥梁抗震设计方法的发展

2.1基于强度的设计方法

早期的抗震设计基本采用基于强度的抗震设计方法，将地震力当作静荷载进行结构分析，以结构构件的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。且该方法是目前许多抗震设计规范仍采用的设计方法。

2.2基于延性的设计方法

结合桥梁结构弹塑性破坏的特点，一些学者提出了基于反应谱的延性抗震设计方法。该方法采用地震力修正系数调整反应谱加速度或弹性分析的地震内力，来反映不同结构的延性需求。如美国AASHTO桥梁设计规范就针对桥墩、基础、支座等构件，采用不同的地震反应修正系数R对弹性地震力进行折减，得到设计地震力。

2.3基于性能的抗震设计

基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要指结构在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能达到一组预期的性能目标。基于性能的抗震设计是使设计出的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续和维持。基于性能的抗震设计的特点是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，将抗震设计由以保障人们生命安全为基本目标转化为不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标，从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命财产安全，满足业主所需的结构性能目标。基于性能的抗震设计内容主要包括:1)科学的定义和确定地震危险性；2)确定结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平和性能指标；3)设计方法，主要包括承载力设计方法、位移设计方法和能量设计方法等。

3、桥梁减隔震技术

3.1 减隔震技术的概念和发展

减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件，改变结构的动力性能，耗散结构吸收的地震能量，从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入，以此降低结构地震反应。对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久，减隔震技术自诞生以来，受到了广泛的重视。第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的Motu桥，建于1973年，上部结构采用滑动支承隔震，阻尼由U形钢弯曲梁提供。该桥建成后，减隔震技术在桥梁抗震中得到了迅速推广。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在1984年，用于对SierraPointBridge进行抗震加固。1990年，美国新建了第一座采用减隔震技术的桥梁Sexton桥。在日本，第一座建成的减隔震桥梁是静岗县横跨Keta河的宫川大桥，完成于1990年，是一座3跨连续钢桁架梁桥，采用铅芯橡胶支座作为减震构件。

3.2 常用减隔震装置

1)分层橡胶支座。分层橡胶支座，国内常称为板式橡胶支座。由薄橡胶片与薄钢板相互交替结合而成，支座平面形状多采用圆形或矩形。在抗震设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素。橡胶支座的水平剪切刚度，指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力。橡胶支座通过在变形过程中消耗能量提供阻尼，这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座，典型的阻尼比为5%～10%。分层橡胶支座的力—位移滞回曲线呈狭长形，所提供的阻尼较小，因而在减隔震桥梁设计中，常与阻尼器一起使用。

2)铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上，在支座的中部或中心周围部位竖直地压入高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座。铅芯具有良好的力学特性，具有较低的屈服剪力(约10MPa)，具有足够高的初始剪切刚度(约130MPa)，具有理想弹塑性性能且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能，能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度。因此，由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求:在较低水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形很小；在地震作用下，铅芯屈服，刚度降低，延长了结构周期，并消耗地震能量。

3)滑动摩擦型减隔震支座。滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间相当低的滑动摩擦系数制成。也称为聚四氟乙烯滑板支座。这种支座具有摩擦系数小，水平伸缩位移大的优点，作为桥梁活动支座十分适宜。在地震作用下，滑动摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动，从而将上部结构能够传递到下部结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦，同时通过摩擦消耗大量的地震能量。这类支座的缺点是没有自复位能力，用作隔震支座时，支座响应的可预测性和可靠性都不尽如人意，所以常与阻尼器和橡胶支座等其他装置一起使用。

4)钢阻尼器。钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。a.有横向加载臂的均匀弯矩弯曲梁阻尼器，加载臂有一倾斜角度；b.锥形悬臂弯曲梁阻尼器；c.有横向加载臂的扭梁阻尼器。钢阻尼器的优点是制造不需要特殊设备，费用比较合适，坚实耐用，又具有较大的耗能能力。试验研究表明，大多数钢阻尼器的滞回曲线可用双线性来近似模拟。不同类型钢阻尼器的选择取决于阻尼器放置的位置、可利用的空间、连接的结构以及力和位移的大小。

钢阻尼器通常和橡胶隔震支座一起使用，如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器就是一种合理组合。

3.3 减隔震装置的选择

桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能:1)具备一定的柔度，用来延长结构周期，降低地震力；2)通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散，并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内；3)具备一定的刚度和屈服力，在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。

进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗能能力和分散地震力上，不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的减隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，减隔震装置不仅要能减震耗能，还应满足正常运营荷载的承载要求，因此选择减隔震装置时，还应注意以下一些要求:1)在不同水准地震作用下，减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力；2)减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动；3)当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时，减隔震支座产生的抗力应比较低；4)减隔震装置应具有较好的自复位能力，使震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置。

4、结语

随着人类对地震灾害特性和桥梁工程震害特点的深化认识和深入研究，桥梁抗震设计方法经历了从强度、延性设计到基于性能发展的过程，伴随桥梁减隔震技术的发展和应用，将大大提高地震作用下桥梁的安全性，减轻地震损失，并为震区的震后交通生命线畅通和救灾工作的顺利提供有力保障。▲

王俊茹，石家庄市政设计研究院有限责任公司

刘 麟，石家庄市政设计研究院有限责任公司