公路桥梁抗震技术浅议

摘要:旨在对公路桥梁减隔震技术进行介绍,在阐述一般公路桥梁减隔震系统设计流程的基础上,通过实例分析了减隔震系统设计的具体相关环节。

关键词:公路桥梁；减隔震系统；设计

中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:：

在公路桥梁工程设计中,为了应对地震的影响,一般采用的对策是“抗震”技术的应用,该技术主要从如何为公路桥梁结构提供抵抗地震作用的能力着手。

1公路桥梁减隔震系统结构组成

桥梁减隔震系统主要分为四个组成部分:柔性支承装置、阻尼装置、刚度要求及构造措施。 目前世界上应用最广、实用性最强的柔性支承装置是橡胶支座。主要有以下几种:盆式橡胶支座(PRB)、板式橡胶支座(RB)、分层橡胶支座和铅芯橡胶支座(LRB)。在选择橡胶支座时,除了要考虑其延长周期和增加阻尼外,还应从正常使用条件出发,仔细考虑橡胶支座―些其他参数,如:静力荷载下的变形能力、屈服力、超出设计变形后的性能、变形后的自复位能力、竖向刚度等。要想取得较好的减隔震性能、关键取决于橡胶支座的动力学持性。所以,公路桥梁设计人员在进行减隔震系统设计时,掌握橡胶支座的动力学性能十分重要。此外,还有一些其它柔性支承装置,如滚轴、滑板、缆索悬吊、柔性会管校、基础提离、摆动等,也要根据实际情况加以选择、利用。

阻尼装置在公路桥梁工程中的使用可以通过增加结构阻尼来耗散输入的地震能量,从而控制结构变形,并减小结构的位移及动力加速度。其中,最有效的耗能阻尼装置是滞回阻尼,即利用材料的塑件变形达到耗能的目的。如:悬臂弯曲梁耗能装置、铅纯剪切变形装置、摩擦耗能装置、粘滞阻尼装置及液压摩擦阻尼装置等,可以通过各个装置的滞回曲线,来得知其耗能能力,以便为选择何种阻尼装置提供帮助。

构造措施的采用可以保证减隔震系统正常的发挥其作用。如在温度伸缩缝不能保证支承以上结构拥有较大自由活动空间的情况下,可以采用“碰即脱”桥台顶块这一特殊构造措施在解决此问题。还如,由于采用减隔震技术的结构在地震作用下往往会产生较大的不确定性的位移,就需要设置专门的防落梁装置,以防止地震下发生落梁和碰撞震害。

2.桥梁的抗震设计

由于地震发生的不确定性和复杂性，再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异，使“计算设计”很难控制结构的抗震性能，因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此，在桥梁的方案设计阶段，不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍，还应考虑桥梁的抗震性能，尽可能选择良好的抗震结构体系。在抗震概念设计时，要特别重视上、下部结构连接部位的设计，桥墩形式的选取，过渡孔处连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系，必须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应评估)，然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位，并进一步分析是否能通过配筋或构造设计，保证这些部位的抗震安全性。最后，根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣，决定是否要修改设计方案。

增加结构的柔性以延长结构的自振周期，达到减小由干地震所产生的地震荷载和增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应是实用的抗震方法。当前，比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几点。

(1)采用隔震支座。采用减、隔震支座(聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应，采用减、隔震支座桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结，大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响，在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。

(2)采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的，利用桥墩的延性抗震。近20年来，国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究，美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列人了相应的条款。

(3)利用桥墩延性减震。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法，桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期，耗散地震能量。在进行延性抗震设计时，按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正，桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响。

3实例分析

以上分析基本已经涵盖了公路桥梁减隔震系统所有基本设计流程,但具体参数计算及细节处理方面应该参照规范进行,为了深入的了解公路桥梁减隔震系统工序,可通过实例分析加以说明。

3.1公路桥梁工程概况

该公路桥梁为双幅(40+60+40)m的变截面预应力混凝土连续梁桥,单幅桥面宽21 m,主梁采用单箱三室截面,边、中墩截面分别为2.0 m�.5 m和2.5 m� m,主梁、桥墩分别采用C50、C30混凝土,原减隔震系统设计方案采用盆式橡胶支座(PRB)。在系统设计步骤上和文章上述的设计流程基本相同,也分为三个阶段。在概念设计阶段,包括减隔震设防标准的确定和支座的选择两个方面;数值设计阶段,首先,确定支座的具体尺寸,其次,该公路桥梁结构支座固有周期分析,最后,对该桥梁减隔震系统进行两个阶段的响应分析;根据工程具体情况,在第三阶段设置伸缩装置和连梁装置。

3.2减隔震设系统防标准的确定

根据规范,可以确定该公路桥梁为B类桥梁,减隔震系统分两阶段进行:第一,在中震(E1)水平下,公路桥梁所有构件均保持弹性;第二,在大震(E2)水平下,结构潜在的塑性区(桥墩的墩底)可以进入有限的塑性状态,而且相应的破坏部位应当便于检查、修复。

3.3支座选择和尺寸确定

通过和盆式橡胶支座(PRB)的比较分析,决定在板式橡胶支座(RB)和铅芯橡胶支座(LRB)中作出选择,并计算出相关参数,以确定具体尺寸,详见表1。

3.4支座固有周期计算分析

对三种支座方案采用空间迭代法对固有结构周期进行了计算,详见表2。通过表2结果可以看出RB和LRB支座方案在延长结构的固有周期方面效果显著,可以远离地震能量集中的频率区段。

为了保证桥梁的减隔震系统能够有效的耗能,需要对该桥梁结构潜在塑性区的弹性状态进行验证。在此,采用有限元程序分对整个桥梁结构进行双向弹性地震反应谱计算分析,三种支座方案的桥墩墩底弯矩响应如下表所示。从表中可以看出,RB和LRB支座方案无论是在横桥向,还是在顺桥向都有4个中墩共同承担水平地震力,墩底处于弹性状态,验证通过。

3.6大震塑性时程分析

在计算大震状况下桥梁结构的内力及位移响应时,采用弹塑性时程分析方法,其结果见图1和表4。通过图1和表4的相关数据,与RB方案比较,LRB支座方案可以通过其滞回性能耗散地震作用力,而且其铅芯的屈服耗能可以有效的控制和降低支座的水平变位。震后无需更换支座,也无需维修桥墩,最终确认选择LRB支座。

3.7减隔震系统其它构造设计

为了适应大的横向变位,可以通过使用具有多向平动、立面及平面旋转功能的LB240模块式梳齿型伸缩装置来解决这一问题。还使用了拉索式连梁装置,它的采用是为了防止由于墩梁之间产生过大相对变位而导致落梁现象的发生。

参考文献:

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[2]JTG/TB02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[3]陈虎.桥梁抗震概念设计[J].国外建材科技,2004(2).