采用中层减隔震体系不规则梁桥顺桥向抗震性能研究

田圣泽，袁万城

(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

采用中层减隔震体系不规则梁桥顺桥向抗震性能研究

田圣泽，袁万城*

(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

从高墩桥梁的抗震难点出发，研究支座设置位置对其减震性能的影响。提出将传统的桥梁支座由墩顶转向墩的中部，墩顶与梁体固结，变高墩为低墩结构设计方案，使得高墩桥梁的抗震设计由延性设计转向减隔震设计。以某城市高架桥为研究对象，分别对刚构设计、墩顶减隔震设计、墩中减隔震设计以及墩底减隔震设计的抗震性能进行研究与评估。研究表明，中层减隔震体系桥梁可以改善并优化高烈度区高墩桥梁的地震响应。

中层减隔震设计；高墩桥梁减隔震设计；减隔震设计方法；传统减隔震设计

随着我国西南、西北山区公路和铁路的快速兴建以及城市高架桥的发展，高墩桥梁得到了广泛应用，且墩高也越来越高。高墩桥梁的抗震设计一直是国内外工程界关注的难题，通常采用延性抗震方法进行设计，而震后易修复的减隔震方案较难应用于高墩桥梁。高墩延性设计十分困难，且按多个塑性铰进行墩柱延性抗震设计性能未必可靠。桥梁常用的减隔震设计方法是采用墩顶减隔震，而墩底减隔震鲜有采用，目前世界上只有几座桥梁采用墩底减隔震方式，如希腊Rion-Antirion跨海斜拉桥[1-3]。本文提出在桥墩中层放置减隔震支座的结构形式，在墩中上部位置设置减隔震支座，变高墩为低墩，使得桥墩由抗弯转向抗剪，还可以增强桥梁体系的耗能减震与限位能力，提高高墩桥梁采用减隔震技术的适应性。

1 中层减隔震体系原理及装置

1.1中层减隔震体系介绍

减隔震技术采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用阻尼器式能量耗散元件，限制结构位移；保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度[4]。结构的加速度谱和位移谱如图1所示。

图1 结构的加速度谱和位移谱

中层减隔震支座的放置，将传统高墩分成2部分，上半部分桥墩与梁体固结。中层减隔震装置见图2。

图2 中层减隔震高墩体系示意图

1.2中层减隔震高墩的力学模型

2 算例分析

以某城市连续梁桥为依托，计算联桥墩为高30 m，顺桥向3 m，横桥向6 m，壁厚0.5 m的空腹式单墩，上部结构为混凝土箱梁。本文分析了4种型式的桥梁：刚构桥梁、墩顶减隔震体系桥梁、墩底减隔震体系桥梁、中层减隔震体系桥梁(考虑到梁体刚度并非无限大，故支座放置分别在0.5倍墩高位置和0.6倍墩高位置，用于比较二者差异，其中0.6倍墩高指支座距墩底高度为整个桥墩高度的0.6倍)。

2.1减隔震体系桥梁型式的比较

桥梁减隔震型式如图3所示。

图3 桥梁减隔震型式示意图

1)墩顶减隔震体系。即在桥墩顶部放置减隔震支座。上面结构为连续梁，下部的桥墩与基础固结。桥梁墩身在地震力作用下会发生一定程度的弯曲变形，即产生墩顶位移。

2)墩底减隔震体系。即在桥墩底部放置减隔震支座。桥墩顶部与上部结构固结。为了保证墩底减隔震体系的几何稳定性和抗覆性(主要是横向)，必须在横向设置至少2个分离的支座(单墩桥梁)或者应用框架式桥墩。

3)中层减隔震体系。即在桥墩中上部设置减隔震支座。上半部分桥墩与梁体固结，下半部分桥墩与基础固结。支座布置型式同墩顶减隔震体系。

对于同一座桥梁进行4种设计(刚构桥、墩顶放置减隔震支座、墩底放置减隔震支座、墩中层放置减隔震支座)，对它们的动力特性与地震反应进行分析与比较。本文针对采用这4种型式均可行的梁桥，分析桥梁动力特性与地震反应变化的一般规律，并应用SAP2000程序进行有限元模型分析，得出有关中层减隔震体系减震特点的一些初步结论。

2.2支座选取

支座采用摩擦摆支座(FPS)，支座吨位为3 000 t(中墩支座)与800 t(边墩支座)，曲率半径分别为6 ，4 m。其中墩顶减隔震体系与中层减隔震体系的支座反力19 000 kN，墩底支座反力20 000 kN，边墩支座反力5 000 kN。横向布置2个支座，间距3.0 m。支座参数如表1所示。

表1 支座参数

2.3计算模型

计算模型中，桥墩采用框架单元，支座采用Plastic(Wen)进行模拟，主桥不考虑桩土相互作用，即在建立模型时将基础按刚性固结处理。所建立的模型如图4所示。

图4 计算模型体系

2.4不同型式桥梁的动力时程分析比较

依照文献[6]确定水平设计加速度反应谱，取最大水平设计加速度反应谱为0.5g(g为重力加速度，g=9.8 m/s2)，特征周期为0.45 s。可得反应谱如图5所示，并按照此反应谱生成3条时程波，将这3组数据反算成反应谱与源反应谱对照[7]，其吻合良好，如图6所示。

取3条时程波计算得到不同型式桥梁震动下关键参数如表2所示。

2.5结果分析

1)刚构桥梁的墩顶与墩底弯矩、墩顶与墩底剪力均处在较高的水平，墩顶减隔震体系与墩底减隔震体系均在一定程度上降低了上述参数，中层减隔震体系中墩顶与墩底弯矩均处于较低水平，仅为墩顶减隔震体系的40%。中层减隔震体系中，与0.6倍墩高布置型式相比，0.5倍墩高布置支座型式的墩顶、墩底弯矩大致相当，使得桥墩能够发挥最大的效率。

2)墩底减隔震体系的桥墩顶部位移为0.094 m，中层减隔震体系为0.077 m，墩顶减隔震体系最小，为0.04 m；墩底减隔震体系墩底剪力小，墩顶减隔震体系墩底剪力最大，中层减隔震体系适中。这表明墩顶位移与墩底剪力“互斥”，相比较而言，中层减隔震体系更为合理。

图5 设计反应谱

图6 反算反应谱

表2不同型式桥梁震动下关键参数

模型体系墩顶弯矩/(kN·m)墩底弯矩/(kN·m)墩顶位移/m墩底剪力/kN墩顶剪力/kN梁体位移/m中墩支座位移/m中墩支座剪力/kN边墩支座位移/m边墩支座剪力/kN刚构1135601177610．058803374480．059000．055167墩顶减隔震0452300．040190312820．0910．0675850．090210中层减隔震(0．6倍墩高)14681243220．077174412620．0770．0695890．071192中层减隔震(0．5倍墩高)18625172070．077160612690．0770．0685910．075192墩底减隔震3819100．094127513670．0940．0636020．093214

3)中层减隔震体系的位移较小，仅为0.077 m，能很好地控制梁体顺桥向位移。

4)几种减隔震体系的中墩支座变形与支座剪力大致相当，这表明中墩支座在不同减隔震体系中的响应并无差异。

5)中层减隔震体系的支座位移与支座剪力较低，减少了主桥对边墩的能力需求，并能避免落梁事故的发生。

2.6中层减隔震体系的优点

1)与通常设计的高墩相比，中层减震装置在隔震作用发生前各方向抗推刚度大，大大提高了高墩桥梁采用减隔震技术的适应性。

2) 具有很好的经济性。该技术采用的桥墩基础的能力设计要求大大降低，与延性抗震设计高墩相比，震后更加方便维修。

3) 应用减隔震设计方法进行强震情况下高墩的抗震设计，预先设定结构的减震限位部件，保护主要构件墩身，显著提高高墩的抗震能力，体现了抗震设计中的概念设计，能够很好的解决高烈度区的山区高墩桥梁的抗震问题。[8-9]

3 结语

1)中层减隔震体系大大提高了结构的刚度，使其更适于减隔震技术的应用。2)在同样的地震波作用下，中层减隔震体系具有比墩顶、墩底减隔震体系更优越的结构表现。桥墩内力显著降低，这大大降低了桥梁对基础的能力需求。同时，应用中层减隔震体系，可以降低主桥对于边墩的能力需求，大大提高了下部结构的经济性。3)相对于墩顶与墩底减隔震体系，中层减隔震体系能够有效降低地震力的影响与减小梁体顺桥向位移。但对于这种特殊型式的桥梁，应当注意的是高墩桥梁中层减隔震体系具有良好的抗震效果，但同墩底减隔震体系一样，应在放置中层减隔震支座的同时设置挡块或设置拉索支座等限位装置，防止桥墩由于可能产生的过大位移出现失稳。

具体选取哪种减隔震体系还需按照工程所需，中层减隔震体系能合理有效地控制桥墩的内力，而墩底减隔震体系能最大限度地降低桥梁对基础的需求。目前对于中层减隔震高墩桥梁的研究还很少，有些研究也仅处在理论研究阶段，未来有待对其实际推广和应用进行更加深入的研究。

[1]Jacques Combault.The Rion-Antirion Bridge—When a Dream Becomes Reality[J].Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China,2011,5(4):415-426.

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[3]Combault J, Morand P.The Exceptional Structure of The Rion-Antirion Bridge in Greece[C]//Proceedings of The IABSE Symposium in Kobe, Japan：[S.n.]，1998.

[4]叶爱军，管仲国．桥梁抗震[M]．北京：人民交通出版社，2011.

[5]朱慈勉，张伟平.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2009.

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SeismicAnalysisofIrregularBridgeBasedonPier-MiddleSeismicIsolationDesignAlongSpanDirection

TIANSheng-ze,YUANWan-cheng*

(StateKeyLaboratoryonDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Beginning with the seismic difficulties of bridges with high piers, the paper studies the influence of the pier position on the seismic performance. It presents the structure design plan in which the traditional bridge pier changes the position from the top to the middle, the top is tightly fixed with the beam, and the high pier turns to the low one so that the high-pier bridge seismic design changes from the ductility design to the seismic design. The fly-over highway of a city is used as an example to study and evaluate the seismic performance of the steel structure design, the pier-top seismic design, pier-middle seismic design and pier-bottom seismic design. The research shows that the pier-middle seismic design can improve and optimize the earthquake responses of high-pier bridges in the high-intensity area.

pier-middle seismic isolation design; high piers bridge seismic isolation design; seismic isolation design method; traditional seismic isolation design

郎伟锋)

2014-05-16

国家自然科学基金资助项目(51278376)

田圣泽(1992—)，男，江苏睢宁人，同济大学硕士研究生，主要研究方向为桥梁抗震;*袁万城(1962—)，男，江西湖口人，同济大学研究员，博士生导师，主要研究方向为桥梁抗震与振动.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.010

U441.3

A

1672-0032(2014)03-0046-05