墩底隔震桥梁设计方法研究

关青锋 陈逸彬 孙培扬

(广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)



墩底隔震桥梁设计方法研究

关青锋 陈逸彬 孙培扬

(广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)

从桥梁震后可修复性理念出发，提出了一种墩底隔震的弯桥结构体系，以某高架弯桥为例，探讨了新型结构体系的设计原则，并进行了数值分析，论证了墩底隔震体系比传统墩顶隔震体系具有的较优性能。

墩底隔震，高桥弯桥，挡块，最大弯矩

0 引言

21世纪以来，日本、智利等均发生了多次大地震，桥梁、房屋等建筑结构被严重破坏，短时间内难以修复，导致抗震救灾工作受到极大阻碍，间接造成更多人民伤亡和难以估计的经济损失。基于此，国内外工程专家开始重新审视桥梁抗震设计理念，并逐渐从延性抗震设计向减隔震设计转变[1]。现阶段，桥梁常见的减隔震设计方法是采用墩顶隔震体系，墩底减隔震体系则极少采用，这是由传统桥梁施工工艺决定的。本文提出在桥墩底部设置减隔震支座的结构形式，这符合可修复抗震设计理念，同时桥承台可提供维护平台，便于震后支座替换。日本的Benten高架桥在1995年阪神—淡路大地震后，采用墩底隔震设计方法进行重建，其框架式双柱墩和钢梁固结，显著的改善了整体性和抗震性[2]。燕斌等以某大跨连续刚桥为例，开发了在承台内部设置隔震支座的墩底隔震体系，极大降低了桥梁上下部结构的地震动需求[3]。

从墩底设置隔震支座的优点、可修复抗震设计理念出发，本文拟提出一种墩底隔震的弯桥梁结构体系。该体系有如下优点：

1)内力反应减小,墩顶与墩底间的相对变形减小,桥墩和基础会得到更有效的保护；2)桥墩与梁体固结，体系整体性更好，且本身体系为弯桥，相对于直桥，具有更佳的横向抗倾覆性，不易发生落梁事故；3)结构的震后修复性更强；4)由于支座放置在承台上，这就使桥梁上部结构与基础分开，当桥梁受到地震波激励时，桥墩传递到承台的内力将极大降低，这大大降低了桥梁对基础的能力需求，提高了下部结构的经济性。

下文实例中将对第4)点优势进行验证。

1 墩底隔震弯桥结构体系

1.1 体系设计原则

墩底隔震体系把支座放在墩底，上部结构已经和承台基础分开，在振动时全桥的相对位移都将集中于隔震支座处。为了保证该新型体系的整体结构几何稳定性和横向抗倾覆稳定性，应令桥梁在结构形式上符合以下理论原则：1)墩梁固结；2)横桥向采用框架结构形式；3)隔震支座设置原则；4)中间墩和过渡墩支座区别设置原则；5)抗震挡块设置。

1.2 结构体系

以上述分析为依据，本文提出如图1所示的墩底隔震体系。该体系中间墩墩梁固结，墩底与承台上平面以隔震支座相连，过渡墩墩顶的处理方式与墩顶隔震体系相同，且其墩底与承台固结。桥墩设置为双柱墩，为框架结构形式。支座处采用承台挡块方式，以限制支座过大的位移。

1.3 抗震挡块

采用墩底隔震体系时，墩底的位移限制是一个必须考虑的问题，本文认为可以通过下面两种办法进行处理：

1)将拉索支座[4]设置在墩底。拉索支座具有抗剪螺栓，能够通过自身弹性变形来抵抗墩底过大位移，而不使桥墩产生过大内力，即使拉索被拉紧至弹性极限，仍能凭强度限制位移。

2)以类似于盖梁挡块的做法，在承台上设置双向挡块(如图2所示)或者环形挡块(如图3所示)。

挡块的限位缓冲距离和拉索支座的自由行程的设计应该考虑桥梁的温度变形程度，其中主要指标是梁体在温度变化作用下的伸缩量，在温度变化影响下，钢筋混凝土结构的伸缩量可由以下公式[5]计算：

Δl=αclΔt

(1)

其中，αc为混凝土材料线膨胀系数，取0.000 01；l为一联梁长度；Δt为梁体温差。设梁体长度l=1 000 m,Δt=20 ℃则Δl=10 cm，该挡块间隙为可接受数值。

2 算例分析

2.1 某高架弯桥体系

本文选取某(9×31)m连续弯桥为工程实例(如图4所示)，主梁高25.5 m，高2 m，为单箱多室常截面，梁体曲率半径取500 m[6](如图5所示)，过渡墩尺寸为1.6 m×1.7 m，中间墩为1.8 m×2 m。采用摩擦摆减隔震支座[7]。墩底隔震体系和墩顶隔震体系所采用的各支座参数如表1所示，支座屈服位移均取0.002 m，屈前屈后比为0.01。

表1 墩顶和墩底体系隔震支座参数

位置墩底隔震体系墩顶隔震体系恒载反力kN屈前刚度kN/m屈服力恒载反力kN屈前刚度kN/m屈服力kN中间墩4030.79740307.9780.615943933.36539333.6578.6673过渡墩10416.317104163.2208.326311431.222114312.2228.6244

2.2 挡块设置

如图4所示模型的梁体总长为279 m，根据式(1)，假设温差为20 ℃，则49号墩、58号墩所产生的伸缩量为27.9 mm。该值较小，挡块限位缓冲距离或拉索支座自由行程按支座位移计算取用已能满足要求，因此本文模型例子无须考虑温度变形对桥墩位移的要求。

2.3 建立模型

基于Sap2000软件，建立两种隔震体系的弯桥模型，所有刚性连接均用刚臂模拟,对P-Delta效应不做考虑。墩顶隔震体系和墩底隔震体系模型的第一阶自振周期分别为1.174 s和1.13 s，根据第一阶周期T1和0.1T1，设定体系的阻尼比为0.05。

2.4 地震波

根据该桥的安评报告，选取 3条和设计反应谱非常吻合的E2水准地震波作为地震动输入。

3 计算结果分析

3.1 承台底弯矩

纵桥向上，两种体系的两端过渡墩弯矩值相差无几，而墩底隔震体系中间墩传递到承台的弯矩大幅度降低。相比于弯桥墩顶隔震体系，墩底体系的承台最大弯矩降幅高达74.3%(P50号墩)，除了两端过渡墩(P49号与P58号)，弯桥墩底体系的承台最大弯矩值降幅平均为72.8%。横桥向上，墩底体系的中间墩承台最大弯矩值同样得以降低，最大降幅为23.6%(P57号墩)，平均降幅为19.2%。弯桥承台底最大弯矩见图6。

这一现象说明了墩底体系对承台、桩基的地震动需求将比墩顶体系小得多，同时验证了本文引言部分的预测。

3.2 桥墩最大弯矩

纵桥向，墩底隔震体系中间墩的桥墩最大弯矩比传统体系基本均小10%左右。而在横桥向激励时，桥墩横向框架结构的刚度较大，高阶振型贡献都比较小，所以两种隔震体系的桥墩最大弯矩基本一致。弯桥桥墩最大弯矩见图7。

3.3 最大支座位移

横桥向过渡墩支座位移比传统体系略大(P49号墩大11.1%)，中间墩的支座位移相近(最大相差2.04%，P55号墩)。因墩底隔震体系中桥梁成一体的框架结构，具备更好的稳定性，故所有纵桥向的支座位移比传统体系小。整体而言，墩底隔震体系与墩顶隔震体系的支座位移比较接近，没有明显的增大。弯桥最大支座位移见图8。

综上分析，墩底隔震体系比传统墩顶隔震体系具有较优性能，对各部分结构地震动需求普遍较低。

4 结语

从桥梁震后可修复性理念出发，本文提出了一种针对弯桥的墩底隔震体系，并以某城市高架连续梁弯桥为例，讨论了新型结构体系的设计原则，进行了数值分析，最终得出以下结论：1)弯桥墩底隔震体系整体性好，便于震后修复，不易发生倾覆或落梁，同时弯曲的形状能为城市交通设计提供更大的考虑空间；2)相比于墩顶隔震体系，新型体系支座最大位移略增大，但不明显，在横桥向上两者具有较高的一致性；墩底体系的纵向桥墩最大弯矩降低11%，横桥向与墩顶体系基本相同；墩底体系的优点体现在承台弯矩上——在地震作用下，墩底体系的纵桥向承台最大弯矩比墩顶体系低74%，这无疑极大地降低了桥梁结构对承台、桩基的地震动需求，使得基础部分经济性大大提升。

[1] 叶爱君，管仲国.桥梁抗震[M].第2版.北京:人民交通出版社,2011:143.

[2] Yoshikawa M,Hayashi H,Kawakita S,et al.Construction of Benten Viaduct,rigid-frame bridge with seismic isolators at the foot of piers[J].Cement and Concrete Composites,2000,22(1):39-46.

[3] Yan B,Xia Y,Du X.Numerical investigation on seismic performance of base-isolation for Rigid Frame Bridges[J].Journal of Vibroengineering,2013,15(1)：328-329.

[4] 袁万城,曹新建,荣肇骏.拉索减震支座的开发与试验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2010,31(12):1593-1600.

[5] JTG/T B02—01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[6] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[7] 焦驰宇,胡世德,管仲国.FPS抗震支座分析模型的比较研究[J].振动与冲击,2007,26(10):113-117.

On bridge design methods for pier bottom seismic isolation

Guan Qingfeng Chen Yibin Sun Peiyang

(CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

From the maintainable repair theory of the bridges after the earthquakes,the paper puts forward the bended bridge structure system of the pier bottom seismic isolation,explore the design principle for the new structural system,undertakes the numeric analysis,and proves the pier bottom seismic isolation is superior to the traditional seismic isolation system.

pier bottom seismic isolation,bended bridge,stop piece,maximal moment

1009-6825(2016)29-0179-03

2016-08-01

关青锋(1995- )，男，在读本科生

U441.3

A