桥梁延性与减隔震设计探讨

摘要：本文从桥梁震害的发生部位和特点入手，详细探讨了桥梁延性抗震设计的要点，并对桥梁减隔震设计中应注意的问题进行了说明。

关键词：桥梁；延性；减隔震；构件；强度

Abstract: this article from the location and the characteristics of the bridge damage, the main points of the seismic design and retrofit of Bridges is discussed in detail, and the reduction of the bridge isolation problems should be paid attention to in the design.

Key words: Bridges; Ductility; Reduce isolation; Component; Strength of the

中图分类号：U442.5+9文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

桥梁震害的发生部位与特点

纵观以往的桥梁震害，主要产生于下部结构，即使有上部结构破坏的情况，也往往是由于下部结构的破坏或过大的变位引起的，特别是梁式桥和连续拱桥更是如此。

一般说来，桥梁墩台的破坏主要是由于地面加速度产生很大的振动使薄弱截面产生破坏而引起的，从大量震害实例来看，比较高柔的桥墩多为弯曲型破坏，矮粗的桥墩则为剪切型破坏，介于两者之间的则为混合型破坏；无筋或少筋的圬工墩台，破坏一般为开裂或折断；而钢筋混凝土或钢结构等延性构件，多表现为开裂、混凝土剥落、压溃、钢筋和弯曲等，并可以产生很大的塑性变形。常见的破坏部位可归纳如下：

承台与桩的连接处，这类破坏多发生在软弱地基上的桥墩；高桩承台式桥墩更易发生这类破坏。

墩身与基础的连接处。

墩身在靠近地面处断裂，主要发生在承台面埋入地下较深的桥墩。

墩身在中部开裂，主要发生在受剪为主及上下部布有钢筋、中部无钢筋或少筋的桥墩。

墩帽与墩身连接处，多发生在墩帽托盘伸出较大的桥墩，因上部结构横向振动产生的偏压在结合处产生应力集中而出现压溃、剥落而屈服破坏。

桥梁支座的震害。它历来被认为是桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节，其主要原因是支座设计没有充分考虑抗震要求，连接与支挡等构造措施不足，某些支座形式和材料上的缺陷等因素。破坏形式主要表现为支座锚固螺栓被拔出剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，在较强的水平地震波与竖直地震波共同作用下，支座破坏更为严重。

桥梁延性抗震设计

（一）延性抗震设计概述

目前，抗震设计方法正从传统的强度理论想延性抗震理论过渡，大多数多地震国家的桥梁抗震设计规范已采纳了延性抗震理论。

延性抗震理论不同于强度理论的是，它是通过结构选定部位的塑性变形（形成塑性铰）来抵抗地震作用的。利用选定部位的塑性变形，不仅能消耗地震能量，还能延长结构周期，从而减小地震反应。

（二）延性抗震设计原理

众所周知，在特定场地条件下，发生极端大地展的概率是很小的，大部分结构在其整个使用期很可能不会经历这样大的地震。因而在设计地震作用下将结构设计成完全弹性的是不切实际的，而且也是很不经济的。在强震作用下容许结构进入塑性，发生局部的损坏，从而利用结构的延性（塑性变形耗能）来抗震是可行的。结构在地震作用下的非弹性反应，可以根据结构构件的滞回特性曲线利用计算机对结构的非弹性地展反应方程作数值求解。

（三）桥梁延性抗震设计要点

1、潜在塑性铰位置的选择

延性抗震设计的第一步，是选定潜在塑性铰区的位置。选择结构中预期出现的塑性铰位置时，应能使结构获得最优的耗能，并尽可能使预期的塑性铰出现在易于发现和易于修复的结构部位。塑性铰位置选择中应注意以下问题：

（1）震害调查也表明，上部结构很少会因直接的地震动作用而破坏，而下部结构则常常因遭受巨大的水平地震惯性力作用而导致破坏。所以，强震作用下预期出现的塑性铰位置只能在桥梁的下部结构中选择。

（2）在下部结构中，由于基础通常埋置于地下，一旦出现损坏，修复的难度和代价比较高，也不利于震后迅速发现，因而通常不希望在基础中出现塑性铰。预期出现塑性铰的位置通常就选择在钢筋混凝土桥墩中，把钢筋混凝土桥墩设计成延性构件，而把其余构件设计为能力保护构件。

（3）钢筋混凝土墩柱桥梁，抗震设计时，墩柱作为延性构件设计，桥梁基础、盖梁、梁体和结合点宜作为能力保护构件。墩柱的抗剪强度宜按能力保护原则设计。

（4）沿顺桥向，连续梁桥、简支梁桥墩柱的底部区域，连续刚构桥墩柱的端部区域为塑性铰区域；沿横桥向，单住墩的底部区域、双柱墩或多柱墩的端部区域为塑性铰区域。典型的墩柱塑性铰区域见下图。

图1 单柱墩塑性铰区域

图2 双柱墩塑性铰区域

2、延性构件设计

（1）延性构件的抗剪强度验算

在延性桥墩截面通过抗弯强度验算后，塑性铰区截面的纵向钢筋就已经确定下来。延性桥墩截面抗剪强度验算的目的，是为了保证桥墩在强震作用下不发生脆性的剪切破坏，确保桥墩能按预期的弯曲延性形式反应。根据能力设计原理，延性构件的抗剪强度的安全系数取值应大于抗弯强度的安全系数。

从大量震害和试验结果的观察发现，立柱的实际抗弯承载能力要大于其设计承载能力，这种现象称立柱抗弯超强现象。引起立柱抗弯超强的原因很多，但最主要的原因是材料实际强度与设计强度之间的差异以及混凝土强度取值的保守。如果立柱塑性铰的抗弯承载能力出现太大的超强，而立柱的抗剪强度或能力保护构件的强度的超强又不足以达到能力保护的程度，则按能力设计原则进行抗震设计的有效性将大大降低。因此，为了确保延性构件不发生脆性的破坏模式，并确保能力保护构件处于弹性反应范围，在确定它们的弯矩、剪力设计值时，采用立柱抗弯超强系数来考虑超强现象。

墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度应按下列公式验算：

式中，VC0---剪力设计值（KN）；

ƒˊc---混凝土抗剪强度标准值（MPa）；

Vs---箍筋提供的抗剪能力（KN）；

Ae---核心混凝土面积（cm2)；

Ak---同一截面上箍筋的总面积（cm2）；

Sk---箍筋的间距（cm）；

ƒyh---箍筋抗拉强度设计值（MPa）；

b---沿计算方向墩柱的宽度（cm）；

Φ---抗剪强度折减系数，Φ=0.85。

（2）延性构件的延性设计

根据能力设计原理，延性桥梁的钢筋混凝土桥墩通常设计成延性构件，其它构件则常常设计成弹性构件。

为了保证钢筋混凝土桥墩的延性，最通常的做法是在桥墩预期的塑性铰区截面配置足够数量的横向约束箍筋，通过横向约束箍筋对核心混凝土的约束作用，提高核心混凝土的极限

压应变，从而提供设计所需的延性。加密的钢筋应满足以下要求：

①加密区的长度为弯曲方向截面宽度的1.0倍，超过最大弯矩80%的范围。

②加密箍筋的最大间距为10cm或6d。

③箍筋的直径不应小于10mm。

④螺旋式箍筋的接头必须采用对接，矩形箍筋应有135度弯钩，并深入核心混凝土之内6cm以上。

3、能力保护构件设计

对采用桥墩作为主要延性构件的混凝土桥梁，能力保护构件通常包括盖梁、支座和基础。对这些构件应分别进行设计，设计过程概述如下：

（1）盖梁设计

与延性桥墩直接连接的盖梁，应按桥墩塑性铰区截面的超强弯矩计算设计荷载效应，并按现行的公路桥涵设计规范进行强度验算。

（2）支座设计

对设置在延性桥墩上的弹性支座进行支座厚度和抗滑稳定性验算，以及对固定支座进行强度验算时，支座的设计地震力应根据桥墩塑性铰区截面的超强弯矩进行计算。

（3）基础设计

与延性桥墩直接连接的基础，应按桥墩塑性铰区截面的超强弯矩计算设计荷载效应，并按现行的公路桥涵设计规范进行强度验算。

（4）有关验算

采用有限元程序Ucfyber计算出关键构件控制断面的抗弯能力和延性能力。计算时，混凝土和钢筋的材料强度取标准值并定义首屈弯矩为主筋开始发生屈服时的断面弯矩值；极限弯矩为钢筋或混凝土应变首先达到表1中设定的中等破坏的数值时的断面弯矩值。极限曲率与首屈曲率的差值与塑性铰长度的乘积即为塑性转角，它是变形验算中构件塑性铰允许转角的上限。

表1 构件性能指标的量化

三、桥梁的减隔震设计

（一）减隔震技术的设计原则

采用减隔震技术可以有效地提高桥梁结构的抗震能力。在设计时要分析其适用条件，正确选择、合理布置减隔震装置，并重视细部构件和构造的合理设计，以确保减隔震设计的效果。

减隔震技术的适用条件

最适宜进行减、隔震设计的情况有以下三种：桥梁上部结构为连续形式，下部结构刚度比较大，整个桥的基本周期比较短；桥梁下部结构刚度不均匀，引入减隔震装置可调节各桥墩刚度，避免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况；场地条件较好，预期地面运动具有较高的卓越频率，长周期范围所含能量较少等情况。

减隔震装置的选择

在进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗散能力和分散地震力上，不能过分追求加长周期。应选用作用机制简单的减隔震装置，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。具体有以下要求：

（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比较低。

（4）减隔震装置应具有较好的自复位能力。

3、细部构件和构造的设计

在减隔震设计中，要使减隔震装置充分发挥减震耗能的作用，必须使非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置。为了使大部分变形集中于减隔震装置，不仅要使减隔震装置的水平刚度远低于桥墩、桥台、基础的刚度，还要避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服。

另外，构造措施对减隔震桥梁的动力特性和抗震性能有重要影响。在减隔震设计中，应充分注意构造细节的设计，并对施工质量给予明确规定。

（二）减隔震装置

1、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。

图3 滑动摩擦型减隔震支座示意图

2、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。

图4 分层橡胶支座示意图

结论

综上，得出以下结论：

利用结构延性进行抗震设计时，通过增大下部结构断面尺寸和配筋率，可提高结构延性，用以抵抗纵桥向的地震作用。

采用减隔震装置后，在强震时通过释放固定墩与主梁间的刚性约束，可大大减小桥墩桩基的地震反应，但采用减隔震设计后，墩梁相对位移有所增大，需要设置参数合理的阻尼装置和相应的构造措施，用于控制墩梁相对位移。

两种设计方法各有优缺点，设计时应根据桥梁的实际情况，选择合适的设计方法。

参考文献

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[2]薛瑞杰，袁万城.国内外桥梁延性抗震构造设计比较[J].工程抗震与加固改造，2009.4.

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