楊光哲，李心智

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210017)

由于山區(qū)施工條件艱苦、施工成本高，預(yù)制型結(jié)構(gòu)在山區(qū)橋梁中廣泛應(yīng)用，同時(shí)，因山區(qū)地面起伏大，同一座橋梁的橋墩高差較大，因此，提高下部剛度差異較大的預(yù)制結(jié)構(gòu)體系橋梁抗震性能變得尤為重要。圖1為某橋地震后的破壞情況。

圖1 某橋地震作用后的破壞情況

1 抗震措施

就目前橋梁工程領(lǐng)域，普遍使用的抗震設(shè)計(jì)方法可大致分為兩類：

(1)提高橋梁本身抗震性能，諸如增強(qiáng)樁基強(qiáng)度、增大橋墩整體延性等。

(2)采用減隔震措施，在地震過(guò)程中，利用減隔震設(shè)施耗散由樁基傳遞至結(jié)構(gòu)的地震能量、通過(guò)減隔震裝置自身特性延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，減小地震反映對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用。

而這兩方面對(duì)于梁式體系橋梁，一般對(duì)應(yīng)以下兩種類型的抗震體系。類型Ⅰ：地震作用下，確保上部結(jié)構(gòu)、連接系統(tǒng)及橋梁基礎(chǔ)不受損傷，仍保持彈性工作范圍內(nèi)，通過(guò)墩身塑性鉸的產(chǎn)生，伴隨墩身的彈塑性變形消耗地震能量。類型Ⅱ：地震作用下，在控制上、下部結(jié)構(gòu)相對(duì)位移的基礎(chǔ)上，確保上部、下部結(jié)構(gòu)及橋梁基礎(chǔ)不受損傷，使其基本仍保持在彈性工作范圍內(nèi)，通過(guò)上下部結(jié)構(gòu)的連接系統(tǒng)消耗地震能量。

由于山區(qū)地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，以類型Ⅰ來(lái)指導(dǎo)抗震設(shè)計(jì)往往面臨樁-土作用效果離散型較大，墩身剛度不均勻等一系列問(wèn)題。同時(shí)，在高烈度地震區(qū)，僅靠結(jié)構(gòu)自身塑性變形消耗地震能量也變得尤為困難。因此，以類型Ⅱ抗震體系作為指導(dǎo)原則，在充分發(fā)揮上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件減隔震作用的基礎(chǔ)上，輔以類型Ⅰ抗震體系，將橋梁看做一個(gè)整體，適當(dāng)發(fā)揮橋梁下部結(jié)構(gòu)材料延性，是山區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

圖2 常見(jiàn)抗震措施

2 減隔震技術(shù)

橋梁工程中的減隔震技術(shù)主要針對(duì)上、下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件(支座)，盡管細(xì)節(jié)上變化較大，但都基本遵循一定普遍特征的設(shè)計(jì)方法。橋梁工程中的隔震系統(tǒng)一般在發(fā)揮減隔震作用，同時(shí)也需確保上、下部結(jié)構(gòu)相對(duì)位移不超過(guò)限值。目前，橋梁工程中常見(jiàn)的減隔震技術(shù)主要有以下三類：高阻尼支座；摩擦擺支座；彈塑性鋼擋塊。

2.1 高阻尼支座

圖3 高阻尼支座示意圖

高阻尼支座通常分為鉛芯隔震橡膠支座和高阻尼隔震橡膠高阻尼支座。作為橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件，高阻尼支座在豎向荷載作用下非常堅(jiān)固，且其豎向剛度較大，但在水平方向，剛度較小、相對(duì)較柔。在地震荷載作用下，通過(guò)上、下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移即支座的水平變形引入結(jié)構(gòu)非線性，增大結(jié)構(gòu)整體震動(dòng)周期，降低地震響應(yīng)。同時(shí)，由支座內(nèi)鉛芯或內(nèi)部橡膠同內(nèi)部鋼板的相互作用，提供較大的阻尼比，進(jìn)一步減小橋梁整體的地震響應(yīng)。

然而，高阻尼支座同普通板式橡膠支座相比支座高度較大，造價(jià)較高。在山區(qū)高速中，較大比例的預(yù)制結(jié)構(gòu)，大范圍使用高阻尼支座，會(huì)增大建設(shè)費(fèi)用。

2.2 摩擦擺支座

圖4 摩擦擺支座示意圖

不同于常規(guī)支座，摩擦擺支座利用單擺原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。在較大的地震荷載作用下，摩擦擺支座系統(tǒng)內(nèi)部限位裝置被破壞，支座通過(guò)球形滑動(dòng)表面的運(yùn)動(dòng)使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運(yùn)動(dòng)，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)承受的水平向力則通過(guò)球冠與上、下耐磨板的摩擦作用傳遞。增大了橋梁整體振動(dòng)周期、降低地震響應(yīng)，同時(shí)，通過(guò)自身的摩擦耗能，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

然而，由于摩擦擺支座利用單擺原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要較大的上部結(jié)構(gòu)恒載才能發(fā)揮出較好的作用，因此，更多地應(yīng)用于大跨徑橋梁或現(xiàn)澆橋梁。在支座安置方面，由于預(yù)制結(jié)構(gòu)每片梁梁底空間有限，也需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)用于安放摩擦擺支座。

2.3 彈塑性鋼擋塊

對(duì)汶川中小橋的震害研究表明，采用普通的板式橡膠支座的中小跨公路橋，由于支座與上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)位移，實(shí)際上起到了抗震作用，有效地減小了下部結(jié)構(gòu)所承受的地震力。但需充分重視擋塊強(qiáng)度設(shè)計(jì)，否則其在地震響應(yīng)下非常容易破壞，甚至導(dǎo)致落梁。

圖5 彈塑性鋼擋塊示意圖

圖6 彈塑性鋼擋塊雙線性恢復(fù)力模型

結(jié)合彈塑性鋼擋塊雙線性恢復(fù)力模型可以看出，通過(guò)普通板式橡膠支座+彈塑性鋼擋塊的上、下部連接結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)結(jié)構(gòu)整體的非線性變形，增大結(jié)構(gòu)自振周期，減弱強(qiáng)地震作用下的結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)。并且，由于彈塑性鋼擋塊設(shè)計(jì)靈活，在強(qiáng)地震作用下，適當(dāng)控制上、下部結(jié)構(gòu)相對(duì)位移，可以兼顧橋墩延性設(shè)計(jì)和上、下部結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)減隔震作用兩方面。

3 有限元模型比較

本研究依托于云南省某高速公路橋梁的抗震研究。

云南省某高速公路位于昆明市北部，全長(zhǎng)約50km，其中設(shè)置橋梁38座共12.8km、互通式立交4處。項(xiàng)目區(qū)域也是我國(guó)強(qiáng)烈地震活動(dòng)帶之一，全線地震基本烈度高達(dá)9度。本模型采用E2作用下的時(shí)程函數(shù)作為地震荷載進(jìn)行模擬。見(jiàn)圖7。

圖7 E2地震時(shí)程曲線(g)

本研究選取其中某橋進(jìn)行專項(xiàng)研究。該橋采用簡(jiǎn)支(橋面連續(xù))結(jié)構(gòu)，跨徑2×40+3×40+3×40(m)，最大墩高45.3m。分別采用高阻尼支座、摩擦擺支座、普通板式支座+彈塑性鋼擋塊模擬上、下部結(jié)構(gòu)連接方式(以下簡(jiǎn)稱模型A、模型B、模型C)。

圖8 有限元模型

模型A、模型B、模型C計(jì)算結(jié)構(gòu)自振周期如表1所示：

表1 結(jié)構(gòu)自振周期表

通過(guò)結(jié)構(gòu)整體自振周期可以看出，采用摩擦擺支座的數(shù)值模型自振周期明顯高于其他三種模型。依次對(duì)比模型A、模型B、模型C的低階自振周期，明顯可以發(fā)現(xiàn)隨著上、下部結(jié)構(gòu)連接剛度的減小，結(jié)構(gòu)自振周期明顯增大。同時(shí)，通過(guò)模型C對(duì)比普通板式橡膠支座兩個(gè)模型可以看出，二者相對(duì)接近，在不考慮由于上、下部相對(duì)位移較大導(dǎo)致支座破壞的前提下，普通板式橡膠支座可以適當(dāng)?shù)匕l(fā)揮出部分減隔震作用，而鋼擋塊的應(yīng)用，雖然增大了一定的上、下部連接剛度，但整體增幅較小，仍能將結(jié)構(gòu)自振周期控制在一定范圍內(nèi)。

而減隔震措施的研究分析中，在注重減隔震效果的同時(shí)，也需要注意結(jié)構(gòu)的最大相應(yīng)位移以及上、下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移，避免發(fā)生落梁等位移過(guò)大問(wèn)題。各模型最高墩支座變形時(shí)程曲線如圖9～圖16。

從四個(gè)數(shù)值模型可以看出，模型A、模型B在結(jié)束地震輸入后，支座變形都能回歸到最初狀態(tài)，而模型C以及普通板式橡膠支座模型在結(jié)束地震輸入后，上、下部結(jié)構(gòu)的復(fù)位情況較差。從變形時(shí)程曲線變化趨勢(shì)可以看出，模型A、B在地震作用下，響應(yīng)較為平緩，同時(shí)，停止地震輸入后，能夠較快地結(jié)束自由振動(dòng)。但模型A、B相比于模型C在橫橋向，支座位移明顯增大，同時(shí)，模型B在順橋向的支座變形也遠(yuǎn)大于其他模型。對(duì)比模型C及普通板式橡膠支座模型，可以看出，二者在順橋向支座最大變形幾乎相同，而通過(guò)橫向鋼擋塊的設(shè)計(jì)，模型C的橫向支座最大變形明顯小于普通板式橡膠支座模型及模型A、B。

圖9 模型A最高墩支座縱向變形

圖10 模型A最高墩支座橫向變形

圖11 模型B最高墩支座縱向變形

圖12 模型B最高墩支座橫向變形

圖13 模型C最高墩支座縱向變形

圖14 模型C最高墩支座橫向變形

圖15 普通支座最高墩縱向變形

圖16 普通支座最高墩橫向變形

結(jié)構(gòu)類型支座最大變形(m)縱向橫向模型A0.490.55模型B1.070.98模型C0.500.38普通支座0.490.48

在結(jié)構(gòu)抗震過(guò)程中，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言除了結(jié)構(gòu)的最大變形外，還需充分考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，各數(shù)值模型最高墩墩底截面彎矩、剪力對(duì)比如圖17、圖18。

圖17 墩底截面彎矩對(duì)比圖(單位：kN·m)

圖18 墩底截面剪力對(duì)比圖(單位：kN)

對(duì)比四種模型可以看出，順橋向，各模型在地震響應(yīng)過(guò)程中，受力相差較小。而在橫橋向，模型A及模型B明顯優(yōu)于模型C及普通支座模型。對(duì)比模型C及普通支座兩個(gè)模型，可以看出采用鋼檔塊，結(jié)構(gòu)橫向彎矩有小幅度增大。

4 結(jié)論

各種減隔震措施均有優(yōu)劣，當(dāng)上、下部結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)滯回曲線相對(duì)平緩、滯回面積較大時(shí)，結(jié)構(gòu)減隔震效果最為優(yōu)秀，但結(jié)構(gòu)相對(duì)位移較大，容易因變形過(guò)大而發(fā)生破壞。同時(shí)由于摩擦擺支座和高阻尼支座造價(jià)較高，噸位較大，更適合大跨徑橋梁，經(jīng)濟(jì)性較差。

彈塑性鋼擋塊相比于其他類型的減隔震措施，結(jié)合普通板式橡膠支座，可以達(dá)到一定減隔震效果，并減小上、下部結(jié)構(gòu)最大位移。同時(shí)，將上、下部連接系統(tǒng)分為兩部分進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)靈活性較大，可以最大限度地兼顧減隔震效果、結(jié)構(gòu)位移相應(yīng)兩方面。因此采用彈塑性鋼擋塊作為減隔震措施可以更加經(jīng)濟(jì)、有效地提高橋梁的抗震性能。