减隔震支座在桥梁设计中的应用

张 刚 卫

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

减隔震支座在桥梁设计中的应用

张 刚 卫

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

介绍了桥梁减隔震支座的工作原理及类型，从工程实例出发，对减隔震支座和普通支座进行了对比，总结了减隔震支座在工程实际中的应用情况，并指出减隔震支座是一种先进、经济的桥梁新型抗震技术，应用前景广阔。

减隔震支座，桥梁，隔震设计

减隔震支座为一种先进、经济的桥梁新型抗震技术。近几年，桥梁的抗震设计上升到一个新的高度，越来越被关注且密切重视，因此减隔震支座的运用在桥梁工程界也兴起了一场革命，然而设计界的部分工程师对减隔震支座的认识懵懂，潜意识里回避该新技术在工程中的采用，从而在一定程度上延缓了减隔震技术在桥梁界的推广。

1 桥梁设计中减隔震技术的工作原理

桥梁隔震即为隔离地震。在桥梁工程建筑中设置以便安全控制结构，设置后由地面震动带来的巨大能量被隔离，使整座桥梁实际受到的震动缓减，从而保证了桥梁建筑的安全。桥梁的隔震设计的工作原理是利用减隔震支座的组合耗能器来吸收地面震动带来的特大能量。桥梁设计中的隔震结构是在桥梁结构的上下部设置一层隔震层，隔震层采用的材料不同，其原理也大同小异，因此在对隔震层进行设计时，需根据实际情况选用最优的设计方法。

2 桥梁减隔震产品

2.1 铅芯橡胶支座

铅芯支座的原理是在普通叠层橡胶支座的中心插入铅芯以此来改善橡胶支座的阻尼性能。铅芯支座有以下三个功能：1)能够承受结构物的水平力和重力；2)铅芯所产生的滞后阻尼能吸收能量；3)可通过特质橡胶来提供水平恢复力。

2.2 高阻尼橡胶支座

高阻隔震橡胶支座是按照国标GB 20688设计的产品，又名HDR支座，它的原理是在天然橡胶中加入多种配合剂，以此来提高橡胶的阻尼性能(增加滞后损失、降低储存模量)，然后利用这种具有阻尼效果的橡胶制成与普通橡胶支座结构相似的一种钢板和橡胶通过热硫化构成叠层产品。该产品隔震性能好，适用范围广，是一种性价较高的新型桥梁和房屋建筑产品。因其加工、制造工艺简单，产品力学性能可靠，在5·12地震后得到广泛应用。

2.3 摩擦摆式减隔震支座

摩擦摆式减隔震支座分为下部滑动式、上部滑动式。两种工作原理基本类似，产品中间层设滑块，其由高强度抗压成分组成，底板滑动面及上部结构重力设计呈圆弧形，下部结构当产生地震位移时，具有滑块的圆弧形滑动面总是能产生向中心的回复力，同时在整个地震位移过程中产生的整个能量通过滑动面和滑块之间摩擦来耗散。

3 工程实例设计

3.1 工程介绍

太原东山地区东中环凯旋街跨线桥工程，桥梁中心桩号位于主线K10+495.597处，桥梁全长316.68 m，采用9×35 m(3跨1联，共3联)等截面预应力混凝土连续梁，桥梁宽度23.5 m，桥墩采用带横梁双立柱桥墩，基础均为承台配桩基，桥台采用桩接盖梁形式。桥梁立面图见图1。

上部结构等截面预应力连续箱梁梁顶宽23.3 m，梁底宽度14.0 m，箱梁悬臂段按照圆曲线过渡，梁高2.0 m，箱梁分五室，外侧腹板为斜度较大的斜腹板，中间四道腹板为直腹板，直腹板厚度由0.7 m过渡到0.4 m。箱梁顶、底板自桥中心线向两侧形成2%的横坡。下部桥墩立柱形式采用双立柱带横梁桥墩，立柱采用矩形断面(带圆角)，高度从中间向两侧呈弧线形变高，为增大支座之间的间距，在其顶部立柱适当外倾，等截面连续梁标准段桥墩断面尺寸为200 cm(宽度)×180 cm(厚度)，墩顶设置系梁。桥台采用桩接盖梁形式。桥墩、台基础均采用承台配桩基，桩径采用1.5 m。3×35 m等截面预应力连续箱梁结构桥墩基础承台尺寸为10.3 m(横桥向)×10.3 m(纵桥向)×2.5 m(高度)，承台下桩基为3排9根φ1.5 m的桩基，采用钻孔灌注桩，桩间距为3.9 m。主桥桥台采用1排1.2 m的桩径。桥梁横断面图见图2。

3.2 支座型号的选择

方案一：隔震设计：采用HDR高阻尼橡胶支座，取3跨1联建模进行桥梁的结构分析(桥梁两端头滑动，中间桥墩按固定设置)：桥梁按整体空间模型建模进行计算，桩基的边界约束条件采用m法(即考虑桥梁与桩基的共同作用，使桩基础周围的土体对桩基的作用模拟成一系列沿深度变化的弹簧)。与普通盆式橡胶支座不同的是在选择HDR减隔震支座时，除要考虑减隔震支座的竖向承载力外，还需考虑支座的阻尼及水平刚度。模型见图3。

从计算结果看桥梁在E1与E2地震作用下，不同的隔震周期对应不同的结构响应，况且隔震周期在1.4 s～2.1 s时地震力急剧减少，大致减少为非隔震状态的30%。当T=2.1 s时支座的近似位移为4.1 cm，而HDR高阻尼支座的容许位移在14 cm以上，所以其位移值远远在可控范围之内。故认为当隔震周期T为1.4 s～2.1 s时，隔震支座的地震力和位移的关系相对较为理想。

经计算桥墩采用四个HDR(I)-820×920×335 mm-G1.0，桥台采用两个LNR(H)-820×870×260 mm，具体参数见表1，表2。

表1 矩形高阻尼隔震橡胶支座HDR(I)-AB-G1.0及配件构造参数表

表2 矩形滑动型水平力分散型橡胶支座(LNR(H)-AB)及配件构造参数表

方案二：非隔震设计：直接将上述模型中支座采用盆式橡胶支座，经计算选取GPZ(Ⅱ)35DX和GPZ(Ⅱ)35GD及GPZ(Ⅱ)17.5SX。

3.3 隔震设计与非隔震设计的对比

桥梁采用HDR隔震支座时，其与采用普通盆式橡胶支座对比，地震作用下减震效果很明显。期间隔震支座能发生比较大的滞回位移，而桥墩仅仅发生较小的位移。计算结果证明：当采用普通盆板式支座时，E2地震下支座的计算位移大于其容许位移，在地震作用下支座很有可能发生滑移、破坏甚至失效；同时主梁在地震作用下的受力也很难得到保证，最终主梁在地震作用下的变位很大而产生不可恢复的变形，甚至导致发生落梁。若采用HDR隔震支座时，E2作用下支座的位移经计算小于高阻尼隔震橡胶支座所容许的位移，且有很大余地，该支座能满足地震作用下受力与位移要求。所以，若采用了高阻尼隔震橡胶支座后，就相当于在桥梁的上部结构与下部结构之间设置了一层隔震，地震发生时能使上下部结构运动隔离而不同步。

4 结语

在高烈度地震区，传统的抗震方法大多是利用加强结构的自身抗力(增加截面)来抵御地震作用，桥墩刚度的增加会引起地震力增长，这样下去最终会形成恶性循环。当桥梁设计采用普通支座进行时，在地震作用下桥墩正常往往会进入塑性工作状态，震后桥墩需进行维修加固的恢复工作，这种抗震模式不建议被采纳。随着时代的发展，桥梁的减隔震设计是当代桥梁工程必不可少的部分，我们可以借鉴以往国内外桥梁隔震技术成功的设计经验来提高我国桥梁隔震的设计水平，使桥梁减隔震水平再有一个新的突破。

[1] CJJ 166-2011，城市桥梁抗震设计规范[S].

[2] JTG/T B02-01-2008，城市桥梁抗震设计细则[S].

[3] JT/T 842-2012，公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座[S].

Application of anti seismic isolation bearing in bridge design

ZHANG Gang-wei

(Taiyuan Municipal Engineering Design and Research Institute, Taiyuan 030002， China)

This paper introduced the work principle and type of bridge isolation bearings, from the engineering example, compared the isolation bearings and common bearings, summed up the application situation of isolation bearings in practical engineering, and pointed out that the isolation bearing was a kind of advanced, economy bridge new type seismic technology, had broad application prospects.

isolation bearing, bridge, isolation design

1009-6825(2014)31-0190-02

2014-08-22

张刚卫(1981- )，男，工程师

U443.36

A