分析隔震設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的重要作用

梁 燕

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

某橋梁工程總長(zhǎng)91 m，橋面設(shè)計(jì)寬度為28 m，結(jié)構(gòu)采用雙層鋼桁架，下部結(jié)構(gòu)采用混凝土墩，1#墩采用固定墩，安裝固定支座，2#墩采用自由墩，安裝滑動(dòng)支座。所有橋墩均為柱式墩，兩側(cè)和中間墩均為矩形墩，尺寸分別為1.2 m×1.2 m、1.2 m×2.1 m，墩身的高度相同，均為6.8 m?，F(xiàn)結(jié)合該橋梁工程實(shí)際情況，對(duì)其減隔震設(shè)計(jì)作如下深入分析。

2 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

在橋墩的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采用兩種方法，即延性設(shè)計(jì)與減隔震設(shè)計(jì)。隔震主要目的在于分離結(jié)構(gòu)和可能產(chǎn)生破壞影響的地面運(yùn)動(dòng)。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)自身基本周期適當(dāng)延長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，減小結(jié)構(gòu)自身地震力，通過(guò)結(jié)構(gòu)周期適當(dāng)延長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減小地震力的目標(biāo)；為對(duì)變形進(jìn)行控制，可在結(jié)構(gòu)當(dāng)中安裝阻尼裝置，以此提高結(jié)構(gòu)自身阻尼，起到減小結(jié)構(gòu)位移作用。

針對(duì)該橋梁，決定將固定墩取消，并安裝具有減隔震作用的支座，這樣能在分散地震力實(shí)際分布的基礎(chǔ)上，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離，從而有效減小結(jié)構(gòu)的地震力。

采用以上減隔震方法的橋梁，在E2地震持續(xù)作用后，耗能部位處在連接構(gòu)件，如支座和專門的耗能裝置，這樣能防止橋梁的上、下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)產(chǎn)生損傷，處于彈性工作范圍之內(nèi)，無(wú)需在E1條件下實(shí)施地震計(jì)算?；诖?，本次地震反應(yīng)分析都采用E2條件下的模型，計(jì)算模型采用三維空間有限元分析模型。橋墩在進(jìn)行隔震之前和之后的對(duì)地震作用的相應(yīng)情況為：(1)隔震之前，固定墩底部彎矩和剪力分別為12 690 KN·m、2 062 KN，頂部位移為3.1 cm；自由墩底部彎矩和剪力分別為2 123 KN·m、336 KN，頂部位移為0.51 cm。(2)隔震之后，固定墩底部彎矩和剪力分別為2 387 KN·m、395 KN，頂部位移為0.57 cm；自由墩底部彎矩和剪力分別為2 168 KN·m、358 KN，頂部位移為0.52 cm。

進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)地震響應(yīng)的對(duì)比，采用固定墩時(shí)的底部彎矩在安裝具有減隔震作用的支座以后，明顯變小，自由墩底部彎矩小幅增加；兩側(cè)橋墩底部彎矩沒(méi)有太大的變化，而且都處于抗力范圍之內(nèi)，這說(shuō)明在E2條件下墩身依然處于彈性工作范圍，滿足規(guī)范提出的要求。

根據(jù)減隔震設(shè)計(jì)基本原理可知，在進(jìn)行了減隔震設(shè)計(jì)之后，將使結(jié)構(gòu)位移明顯增加。以上設(shè)計(jì)結(jié)果也驗(yàn)證了該點(diǎn)，即隔震設(shè)計(jì)之后上部結(jié)構(gòu)實(shí)際位移為10.2 cm，比減隔震設(shè)計(jì)之前實(shí)際位移相對(duì)較大。

3 橋梁減隔震設(shè)計(jì)的優(yōu)化

若橋梁的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的是減隔震方法，則確定適宜的支座參數(shù)為重要課題，對(duì)于特定橋梁結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)使用與之相匹配的橋梁支座，使用參數(shù)和結(jié)構(gòu)相匹配的支座，能在最大長(zhǎng)度上發(fā)揮支座的效能，起到減小地震作用對(duì)橋梁造成的破壞的重要作用。

對(duì)結(jié)構(gòu)在非線性地震作用下的響應(yīng)分析重點(diǎn)是要建立滯回模型，在本次分析工作中，主要采用的是Bouc-Wen模型。根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，支座模型主要由三個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，即為屈服力、屈服前和屈服后的剛度。按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，第二剛度系數(shù)為0.15左右。當(dāng)支座參數(shù)有所不同時(shí)，橋梁對(duì)地震作用的相應(yīng)將有明顯差別。為此，對(duì)不同參數(shù)情況下的模型，實(shí)施動(dòng)力時(shí)程分析與研究(動(dòng)力時(shí)程分析是對(duì)結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)微分方程直接進(jìn)行逐步積分求解的一種動(dòng)力分析方法，本身就是一種分析方法)，在橋梁的計(jì)算模型當(dāng)中，上、下部結(jié)構(gòu)都視為處于彈性狀態(tài)。

為明確支座參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)造成的影響，以支座特點(diǎn)為依據(jù)，根據(jù)工程的實(shí)際狀況，對(duì)6種具有減隔震作用的支座進(jìn)行分析，其參數(shù)和地震響應(yīng)結(jié)果如表1所示。

表1 不同支座的參數(shù)和的地震響應(yīng)結(jié)果

根據(jù)表1結(jié)果可知：上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移在102～129 mm范圍內(nèi)，最大和最小值的差值百分比為26.5%；墩身底部的彎矩在1 595～2 462 KN·m范圍內(nèi)，最大和最小值的差值百分比為35.5%；由此可以看出，結(jié)構(gòu)整體抗震效果和減隔震支座各項(xiàng)參數(shù)有十分密切的關(guān)系，即采用適宜的參數(shù)能保證減隔震效果。1#和2#制支座在屈服前剛度上有很大差值，僅屈服力就相差了33%，1#支座墩身底部彎矩比2#支座小，且上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移有所增加；3#和4#兩個(gè)支座的屈服力完全相等，但屈服前剛度有37%的差別，與之前相同，當(dāng)支座剛度相對(duì)較大時(shí)，墩身底部彎矩增加。以上結(jié)果都說(shuō)明在實(shí)際的減隔震設(shè)計(jì)過(guò)程中若想減小實(shí)際地震力，可從以下兩個(gè)方面入手，即減小屈服力與屈服前剛度。以上支座墩身底部彎矩都處在允許抗力范圍內(nèi)，因減隔震設(shè)計(jì)過(guò)程中需要在減小墩身底部剪力的基礎(chǔ)上控制上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移，所以相比之下1#和4#兩個(gè)支座比較合適。另外，因上部結(jié)構(gòu)的自重可以達(dá)到1 000 t以上，所以為保證安全儲(chǔ)備，需要選擇具有較高承載力的支座。因此，1#支座是最為合適的。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算后可得，無(wú)論是固定墩還是自由墩，其地震內(nèi)力分布都無(wú)法達(dá)到均勻，相比之下，固定墩底部彎矩比自由墩大很多，而且固定墩底部彎矩可能會(huì)超出墩身抗力限度，進(jìn)入到塑性狀態(tài)當(dāng)中，這對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)很不利。

(2)根據(jù)規(guī)范和以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，決定將固定墩取消，并安裝具有減隔震作用的支座，經(jīng)計(jì)算分析，墩身內(nèi)力保持一致，同時(shí)墩身底部彎矩可以處在允許的抗力范圍之內(nèi)。

(3)通過(guò)專門的減隔震設(shè)計(jì)，即安裝減隔震支座，能使墩身地震力保持一致，同時(shí)處在允許的抗力范圍之內(nèi)，無(wú)需采用其它工程措施，如增大墩身截面和增加墩身配筋。因此，安裝具有減隔震作用的支座是一個(gè)合理有效的減隔震設(shè)計(jì)方法。在支座類型(參數(shù))的選擇上，通過(guò)對(duì)比，得出以1#支座為宜，其參數(shù)包括：①截面形狀為圓形；②尺寸為670 mm；③承載力為3 200 KN；④屈服力為162 KN；⑤屈服前剛度為8 600 KN/m；⑥墩底部剪力為296.8 KN；⑦墩底部彎矩為1 775 KN·m；⑧上部結(jié)構(gòu)位移為120 mm。