州ｇｅ＆ＴｕｎｎｅＩ Ｅｎｇ；ｎｅｅ ｇ桥梁与隧道工程 桥梁结构减隔震设计研究 殷丽君 （山西省交通规划勘察设计院，山西太原０３００１２） 摘要：传统的桥梁结构抗震设计方法存在诸多弊端，一种新的抗震技术桥梁减隔震技术应运而生。针对减隔震 设计展开研究，探讨了桥梁减隔震装置的布置方案和设计参数，通过力学计算分析了减震装置对桥梁结构的减 震效果，结果表明采用减隔震设计能够有效减小桥梁结构所受地震力，改善抗震性能。 关键词：桥梁；减隔震；设计 中图分类号：Ｕ４４３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—８ｏ９８（２Ｏ１５）０３—０２１６—０３ Ｏ引言 件中，桥梁构件会产生塑性变形，通过塑性变形 来消耗掉地震传递到桥梁上的能量。 随着我国经济社会的迅猛发展，交通工程领 域桥梁工程的建设规模也在不断扩大。同时我国 传统的抗震结构设计，仅仅是从强度和延性 两方面来综合设计，这种设计方法大大提高了工 程造价，而且地震中桥梁抗震结构产生的塑性变 形是不可恢复的永久变形，增加了后续的养护和 很多区域处于地震活跃地带，一旦发生地震灾 害，将可能造成桥梁工程的结构性损害，直接威 胁到道路的正常通行，不但造成巨大的经济损 失，而且对灾后重建带来诸多不便。 传统的桥梁结构设计主要通过提高构件的整 体强度来达到抗震的目的，这种方式可以在一定 程度上避免桥梁垮塌，但构件自身不可避免要受 到损伤，不能从根本上改变桥梁的抗震能力。另 外单纯追求结果的强度，也会增加工程造价，影 响结构美观。随着桥梁抗震技术的不断发展，传 统的抗震设计已经不能满足实际使用要求，在不 断总结抗震设计经验和深人研究抗震理论的基础 维修成本。所以采用减振、隔震的设计方法成为 目前桥梁抗震设计中的发展方向。减隔震技术更 为方便简单和经济合理。减隔震技术是通过特制 的减震设备将地震中产生的能量在到达桥梁结构 构件之前预先进行消耗。在实际桥梁的结构设计 中一般是将减振和隔震两种技术结合在一起，从 而更加合理地将受力进行分配。减隔震技术的工 作原理是通过增加相关构件的延性来减小地震反 应，增加相关的阻尼能量、耗散能量减小结构产 之上产生了减震、隔震技术。通过特制的减震元 件可以在地震时首先将传递到桥梁上的能量进行 消除，从而大大减少桥梁构件所受到的地震破坏 力。减震技术是通过隔震装置将桥梁结构与地震 相隔离开，减隔震技术可以从根本上提高桥梁的 抗震能力，提高起来的结构稳定性和安全性。 １桥梁结构抗震设计方法 生的位移变化。减隔震设计能够对桥梁结构进行 整体支撑，以有效地保证桥梁结构整体的强度和 稳定性。 ２减隔震设计研究 ２．１减震设计研究 桥梁的抗震性能在很大程度上跟主梁跟桥墩 之间的支座类型及其力学特性有很大的关系。所 以做好桥梁结构的边界条件对提高桥梁的抗震能 随着桥梁工程的不断发展以及对地震特性研 究的不断深入。传统的抗震设计方法可以分为强 度设计和延性设计两种类型。强度设计的主要思 力有很大的关系。所以在梁体与桥梁墩台的结合 处增加相关的柔性支撑和耗能构件，能够有效提 高桥梁对抗震的反应。本文将探讨三种不同的减 震布置。 路是通过提高桥梁构件的设计强度，以桥梁结构 自身的高强度来抵抗地震产生的冲击力。这种设 计方法不经济也不便于实际操作。随后又出现了 延性设计方法，地震中产生的能量传递到桥梁构 （１）抗震滑动摩擦支座 在桥梁抗震设计特别是连续梁桥的高墩设计 收稿日期：２０１５．Ｏ１．２１ ２１６：交通建设与管理 桥梁与隧道工程 ｒｉｄｇｅ＆Ｔｕｎ ｎｅＩ ＥｎｇＩｎｅ ｎｇ 中，所有的桥梁支座要选择能够进行双向滑动的 表３支座最大剪切变形 普通支座 粘滞阻尼器 滑动摩擦支座 铅芯橡胶支座 摩擦支座，支座能够在发生地震时产生剪切破坏 来消耗掉地震能，支座设计在原则上使用于桥梁 的横向减震设计。 （２）粘滞阻尼器 墩号 位移 减震 位移 减震 位移 减震 位移 减震 ／ｃｍ 系数 ／ｅｍ 系数 ／ｅｍ 系数 ／ｅｍ 系数 第２Ｏ～ ２２跨 ９．２ １．０Ｏ ４．８ １．０Ｏ ｌ１．３ １．２１８ ８．５ Ｏ．９１５ 桥梁设计中尤其是高墩连续梁桥，地震作用 对固定墩和自由墩产生的破坏响应都较为明显， 必须要采取减震措施。所以要在桥墩和主梁之间 第２２～ １０３ １２４跨 ｏ０ ５－３ ０．５１Ｏ １３．６ １．３３３ ８．９ ０．８７２ ．通过以上数据分析可以发现，采用康华买擦 支座能够有效地减小横向弯矩、位移大幅度、支 座剪力。设置抗震滑动摩擦支座通过滑动摩擦作 加设粘滞阻尼器。伸缩缝位置处的支座要进行横 向固定。 （３）Ｌｏｃｋ—ｕｐ装置 在桥梁抗震结构设计中桥墩对地震的反应也 较为明显，所以要做好纵向桥墩和主梁之间的抗 震设计，加设Ｌｏｃｋ—ｕｐ装置，在横向范围内该装置 用能够有效地吸收地震能，使得结构承受的地震 响应力大大减小。需要注意的是控制好主梁跟墩 顶之间的位移差。粘滞阻尼器通过吸收地震能 量，降低结构地震响应力。所以通过横向铅芯橡 胶支座加纵向粘滞阻尼器的减震设计能够有效地 做到减震效果。 ２．２减震设计的主要参数 （１）抗震滑动摩擦支座 当采用抗震滑动摩擦支座来进行抗震设计 不能起到很好的耗能效果，而采用普通的固定支 座就能达到目的。 （４）铅芯橡胶支座 在桥梁支座设计中除去伸缩缝位置处布置纵 向的铅芯滑动支座，能够有效的避免伸缩缝处产 生的位移。 本文针对这几种不同的减震设计方法分析了 桥墩的地震响应、上部结构在纵桥向的最大位 移、支座的最大剪切变形。桥墩最大剪力减震效 时，需要首先设定一个抗震滑动摩擦支座单元， 对整个结构进行受力分析时可以采用时程分析 法。结合建立的动力分析模型，对非减震结构所 产生的位移和内力进行分析，抗震滑动摩擦支座 的前刚度系数可以是上部结构自重的２％左右。通 过上部结构的位移控制参数可以反推除抗震滑动 摩擦支座的后刚度，抗震滑动摩擦支座的变形一 般在２ｍｍ左右，可以忽略。 （２）粘滞阻尼器 果比较结果如表１所示，上部结构的最大地震效 应减震效果比较结果如表２所示，支座最大剪切变 形如表３所示。 表１桥墩最大剪力减震效果比较 普通支座 粘滞阻尼器 滑动摩擦支座 墩号 弯矩 减震 弯矩 减震 弯矩 减震 粘滞阻尼器的两个主要设计参数是阻尼系数 和阻尼指数。桥梁结构的减震效果会随着阻尼系 数的增大而呈现越来越明显的效果，但当阻尼系 ／（ｋＮ・Ｍ） 系数 ／（ｋＮ・Ｍ） 系数 ／（ｋＮ・Ｍ） 系数 ２０ ２１ ２２ １６８ ５２６ １５７ ２６９ １４７ ５３２ １．００ １．ｏｏ １．００ ８２１５６ ７９１１２ ８１ ７４３ ０．４７５ ０．５０２ ０．５５２ ６３ ４２５ ６２ ９０５ ６３ ７４２ ０．３７６ ０ ３９９ ０．４３１ 数增大到一定的数值之后，减震效果将不再出现 明显的变化。阻尼系数存在着一个数值稳定范 ２３ ２４ １４２ ３２ｌ １５３ ３１２ １．００ １．ｏ０ ５５ ０７９ ７９ ２６５ ０．３８９ Ｏ．５１７ ６３ ３３２ ６６６９２ Ｏ．４４５ ０．４３６ 围，当阻尼系数超过稳定范围之后，阻尼系数如 果持续增加的话反而会降低桥梁构件的整体抗震 效果，在理论状态下如果阻尼系数达到理论无穷 大，粘滞阻尼器就相当于一个嵌固节点，其减震 表２上部结构最大地震效应减震效果比较 普通支座 粘滞阻尼器 滑动摩擦支座 铅芯橡胶支座 墩号 位移 减震 位移 减震 位移 减震 位移 减震 ／ｃｍ 系数 ／ｃｍ 系数 ／ｃｍ 系数 ／ｃｍ 系数 第２Ｏ～ ２２跨 １１．２ １．０ｏ ６－３ ０．５６３ １７．８ １．５８３ １０．６ ０．９３２ 第２２— ２４跨 １７．３ １．ｏ０ 作用将不会存在，所以要合理选取粘滞阻尼器的 阻尼系数大小。 （３）铅芯橡胶支座 桥梁支座的刚度能够直接对结构的整体受力 ８．８ ０．４９６ ２４．６ １．４０１ １８．６ １．０８１ 状况产生影响。支座刚度小，墩顶的位移会小， 交通建设与管理：２１７ ｒｉｄｇｅ＆ＴｕｎｎｅＩ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｇ桥梁与隧道工程 但是梁体会产生较大的位移，随着支座刚度的增 加，墩顶的位移会增大，梁体的位移会减小。另 外支座的屈服前刚度变化会对桥墩及梁体位移产 ３结语 从目前我国的实际情况来看，有大量的桥梁 出处在地震活跃带，所以保证桥梁设计的安全和 经济是桥梁抗震设计的一个只要原则。本文对减 隔震相关设计内容进行了探讨，通过分析可以发 现减隔震技术在抗震效果上具有明显的优势。但 生直接的影响，施工中要避免支座屈服前的刚度 对抗震效果产生影响。当桥梁支座产生较大的变 形时，支座的安全可靠性将会大打折扣，为此保 证支座具有较大的支座屈服前刚度对有效减小支 在实际工程中还需要结合工程实际情况来综合分 析减隔震技术，合理确定相关设计参数，不断促 座的变形起着极为重要的作用，同时也能够有效 地减小梁体产生的位移，从而避免可能出现的梁 体塌落或相关的伸缩变形量，从整体上提高桥梁 系统的整体安全性和稳定性。在保持支座屈服前 刚度不变的情况下，支座的屈服力变化能够直接 进桥梁抗震技术的发展。 参考文献： ［１】周云，徐彤，周福霖．抗震与减震结构的能量分析方法 研究与应用【Ｊ］．地震工程与工程振动，１９９９（４）：１３３— １３９． 在桥墩及梁体位移上有所反映。当支座的屈服力 较小时，墩顶的位移变小，梁体的位移较大。随 着支座屈服力的增加，墩顶的位移增大，支座的 变形会相应地减小，降低了梁体的位移，提高了 桥梁的抗震能力。 【２】陈希．基于位移和能量的双参数指标抗震设计方法的研 究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００５． ［３］ＪＴＪ ００４－－２００５，公路桥梁抗震设计规范【ｓ】． （上接第２１５页） 在铺装层设计中，应从桥梁整体的角度有针对性 地对桥面铺装层厚度、材料选择等进行合理的优 化，保证桥梁的在运行过程中的稳定性和建造的 经济性。 参考文献： ［１】陈仕周，倪小军．桥面铺装与路面温度差异研究【ＪＪ．中 国公路学报，２００５（２）：５６—６０． 拟，对混凝土铺装层不同温度荷载下的力学响应 进行了分析，主要得出以下结论： （１）适当提高混凝土铺装层的厚度可以降低 混凝土铺装层自身的拉应力和温度应力水平。 （２）温度荷载对铺装层应力影响十分巨大， 尤其是铺装层和梁桥的胀缩系数和降温幅度相差 较大时，铺装层的各力学响应指标随降温幅度和 胀缩系数呈严格的线性变化，虽然改变铺装层厚 度可有效地降低粘结层的应力水平，但根本上还 是得控制铺装层与桥梁的胀缩系数的差异。 由于受材料性能、桥梁结构设计等影响，上 【２］逯彦秋，张肖宁，唐伟霞．桥面铺装层温度场的ＡＮ— ＳＹＳ模拟『Ｊ１＿华南理工大学学报：自然科学版，２００７ （２）：５９—６３． ［３】王光辉，韦成龙，李斌．大跨度桥梁桥面铺装温度效应 述分析并不能应用于每一个混凝土桥梁，但应力 仿真分析［Ｊ］．湖南理工学院学报：自然科学版，２００７ （４）：８３—８７． 响应的变化规律可以为其提供设计依据。因此， ２１８；交通建设与管理
