Architectural and Structural Design
桥梁设计中隔震设计的重要性研究
Research on the Importance of Seismic Isolation Design in Bridge Design
杨甲晖
(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州730000)
YANG Jia-hui
(Gansu Transportation Planning Survey and Design Institute Co. Ltd., Lanzhou 730000, China)
【摘要】减隔震设计在当前桥梁设计中得到了越来越多的重视。论文介绍了减隔震技术的概念和常见设计类型，通过施工工程情
况，建立了动力计算模型并选择了针对性的计算工况，分别进行了主梁位移、支座位移、最不利桥墩内力和阻尼器最大阻力的分析，结果证明，抗震性能满足设计要求和相关规范要求。论文还系统研究了桥梁设计中的减隔震设计，为未来类似工程提供了一定的借 签经验。
【Abstract】Seismic isolation design has been paid more and more attention in bridge design. This paper first introduces the concept and
common design types of the technology of vibration reduction and isolation. Through the construction project, the dynamic calculation model is established and the corresponding calculation conditions are selected. The displacement of the main girder, the displacement of the support seat, the most disadvantageous internal force of the pier and the maximum resistance of the damper are analyzed respectively. The results show that the seismic performance meets the design requirements and relevant regulations. This paper systematically studies the seismic isolation design in bridge design, to provide reference experience forsimilarprojects in the future.
【关键词】桥梁设计；减隔震设计;功能分析
【Keywords 】bridge design; seismic isolation design; functional analysis【中图分类号】U442.5+5
【文献标志码】A
【文章编号】1007-9467 (2019) 09-0031-03
【DOI】10.13616/j. cnki .gcjsysj .2019.09.010
1引言
随着国民经济的持续快速提高，公路交通等基础行业得 到了巨大进步,作为危机管理系统的重要组成部分，桥梁结构 应具有较强的抗震性能。随着技术的进步，当前，针对结构设
果检验分析。因此,本文在分析桥梁减隔震技术和功能的基础 上，着重介绍了黏滞型阻尼器和双曲面球形减隔震支座2种 减隔震设施在桥梁减隔震设计中的应用，通过实际案例的纵 桥向和横桥向2种工况的模拟分析，对于主梁位移、支座位 移、最不利桥壞内力和最大阻尼器阻尼力的结果进行了总结
计从传统强度理论向延性抗震理论过渡。通过在桥梁结构设
分析,结果证明能够满足设计要求，本文研究对于未来类似桥
计中进行减隔震设计，能够有效提高结构抗震性能，作为结构
梁的减隔震设计提供了一定的工程和理论经验hi。
控制方法的一种，减隔震设计属于被动控制技术。査阅相关文 献,当前缺乏减隔震的系统研究，同时，缺少减隔震设计的效
2减隔震技术概述
2.1减隔震技术原理
【作者简介】杨甲晖(1984~),男，甘肃兰州人，工程师,从事路桥设计与研究。
作为一种综合利用减震和隔震的设计方法，减隔震技术 即通过在结构基础位置设置减隔震设计，阻碍地震波的传播，
31
工程建设与设计
Construction & Design For Project
从而实现地震能力的隔离;同时,减隔震还对附加阻尼有所考 虑，能够进一步降i氏结构地震相应。根据对于地震相应的阻碍 方式不同，主要分为减震技术和隔震技术。
1)
减震技术。对于减震技术，关键在于阻尼和耗能构
的孔和活塞与缸体间的间隙实现不同液腔阻尼质在活塞作用 下的往复流动,具体结构如图1所示。
主梁
件，其主要起到2种作用：一是对于桥梁结构性能实现改 变;二是在地震时吸收地震能量，从而大大减小地震灾害，实现桥梁的抗震稳定性|21。
2)
隔震技术。作为一种特殊结构形式,与减震构件不
同，其具有一定的震动周期，使得在地震波传递至桥梁结构 上时，能够实现结构上的地震能量输出，从而实现地震能量 的缓冲，实现对于桥梁结构的更好防护。
根据能量守恒理论，减隔震技术则是改变结构上承担的 地震能量，其能量方程如式(1)所示：
私„=£W
p+£,
(1)
根据阻尼力与相对加速度之间的关系，根据阻尼力与相 对速度的关系,可以分为以下2类：
1)
当阻尼力与相对速度成比例关系时，称为黏滞型阻尼
器，其恢复力曲线近似于椭圆结构。当阻尼力最大时,而桥墩
式中为桥梁结构承担的全部地震能量;为结构承受的 动能与弹性势能之和;&为结构本身阻尼所耗费的能量;尽为 结构发生弹性变形所耗费的能量;£,为减隔震装置破坏所耗 费能量之和。
的变形最小，其弹性力也处于最小状态。
2)
当阻尼力与结构变位速度不成比例时，则为非线性阻
尼器，关系表达式如式⑵所示：
F=CVa
(2)
2. 2隔震系统设计功能分析
对于大跨径连续梁桥结构而言，减隔震系统的设计需要 实现以下几个功能：
1)
式中,F为结构阻尼力;C为阻尼系数;F为相对位移速度;a 为变化指数,取值为0.1 ~2.0。
3. 2双曲面球形减隔震支座
关于双曲面球形减隔震支座，则是将平板活动支座的滑
柔度要求。减隔震装置需要满足一定的柔度，通过结构
动面更换为球形曲面，使得在结构竖向力的作用下实现滑动
2) 刚度。减隔震装置需要满足一定的刚度，从而最大|5_地
的自动修复。关于双曲面球形减隔震支座的组成部分'具体
减小地震后的残余变形，使得结构满足一定的自动复位功能。
如图2所示。
3) 耗能能力。减隔震装置需要具备一定的耗能能力，同 时，耗能可以降低支撑面处的变形，使得结构位移控制在允许 误差范围之内。
4)
分级控制性能。通过分级控制性能的实现，在正常风荷
周期的延长，实现地震力的降低作用。
载、制动力等荷载作用下，或者较小地震力作用下，桥梁结构 不至于发生较大的屈服或有效振动，使得结构在荷载作用后 仍处于正常受力状态％
图2
双曲面球形减隔震支座示意图
3减隔震设计类型分析
为了实现地震能量的耗散，以下针对上述2种减隔震装 置进行详细分析。
注:1为抗剪螺栓;2为限位环;3为上球面不锈钢滑板;4为下球 面不锈钢滑板;5为中座板;6为上四氟滑板;7为下四氟滑板;8为上 座板;9为密封裙；10为双凸曲面中座板;丨1为下球面四氟滑板；12 为下座板四氟滑板;13为下座板。
3.1黏滞阻尼器的应用
关于黏滞阻尼器，活塞将缸体分为2个液腔，通过活塞上
32
根据图2可知，双曲面球形减隔震支座能够实现支座在 任何方向的转动，对于滑动方向可根据需要进行设置,如固定
建筑与结构设计
Architectural and Structural Design
支座，可以在固定销子剪断后实现纵横向的滑动,并樹共恢复能 力;对节从向齡妓i®，P!脏f好剪断后实现^方向的恢复力。
模拟分析。地震加速度时程采取记录的实测强度,共存在3次 纵向和横向震波记录，加速度峰值为〇.487g~0.816g之间，相 当于9~10度，同时，需要设定纵向加速度峰值大于横向加速 度峰值。
4案例分析
4.1工程概况
某桥梁为3跨连续梁桥,为预应力混凝土结构，位于6度 地震区，跨径组合为(89.0+170.0+89.0 )m，分为左右幅布置，在 零号块位置采用横隔梁连接,具体布置如图3所示。
为了结构安全考虑起见，采用结构反应最大的地震波作 为桥梁结构抗震评价的依据。
5抗震性能分析
5.1主梁位移
对于桥梁结构而言，主梁位移 是评价抗震性能的关键参数之一， 根据本文动力计算结果，桥梁主梁 结构位移如表1所示。
根据表1地震作用下的桥梁主 梁位移统计分析可知，横桥向的最
图3桥跨布置示意图(单位:cm)
大位移为36.0mm,纵桥向的最大位
移为72.0mm,根据设计可知,SSFC880伸缩缝的最大伸缩位 移为88.0mm，能够满足结构抗震要求。
表1
横桥向
36
为了保证结构的抗震安全性，采取如下2种减隔震技术：一种为采用黏滞性阻尼器来耗散地震能量；另一类则是采用 双曲面球形减隔震支座实现结构自振周期的延长，从而实现 结构抗震性能的提高。
地震作用下的主梁位移纵桥向
72
4. 2动力计算模型
结构实际受力状态的力学模型建立的成功与否，是桥梁 结构动力特性分析正确的前提。
采用通用有限元软件Midas-Civil建立某大跨径连续梁桥 空间有限元模型，进行桥梁结构的动力特性和抗震性能的计 算分析。采用三维梁单元建立桥梁模型,软件自球形减隔震支 座模型,具有滞回耗能和自恢复特性。对于活动支座,则采用 考虑摩擦耗能的连接单元;对于黏滞型阻尼器，则采用阻尼器 单元进行模拟^具体模型如图4所示。
允许伸缩量(纵桥向）
88
5.2支座位移
对于桥梁结构而言，作为评价桥梁结构抗震性能的关键 参数之一，支座位移在动力分析和抗震模拟分析下的位移统 计分析如表2所示。
表2
位置方向
横桥向位移纵桥向位移
0*台36
支座位移
1*墩2354
2•墩1849
3665
mm3•台
59
根据支座位移统计表可知，支座最大横桥向位移出现在 0*台和3*台位置，最大位移为36.0mm;支座最大纵桥向位移 出现在311台位置，纵向位移最大值为65.0mm,根据支座设计 要求可知，支座横向桥位移和纵桥向位移均能够满足动力分 析和抗震性能要求。
5.3最不利桥墩内力
图4
全桥动力分析模型
4. 3计算工况分析
为了充分考虑减隔震装置和各种因素对于桥梁结构抗震 性能的影响，采用非线性时程分析法进行大跨径连续梁桥的 抗震性能分析，具体按照纵向输入和横向输入2种方式进行
在地震和动力冲击作用下，桥梁桥墩受到较大的横桥向 和纵桥向的作用力，对于本工程而言,0*台和3*台为低墩结 构,1*墩和2•墩为高墩结构。在动力冲击和地震荷载作用下,桥梁下部结构关键截面的内力计算统计值如表3所示。
(下转第40页）
33
工程建设与设计
Coiutruction& DesignPhTProject
单立柱单跨布置方案整体经济性 良好，此方案对项目整体的造价 影响不大，方案可行。
6结语
随着国内光伏项目的大规模 建设，并结合对采空区的土地二 次利用，采用安全可靠的基础和 上部结构支架方案对整个项目的 安全稳定运行有着至关重要的作 用。希望通过本方案的论述能为 类似项目的方案设计提供参考价
a支架剖面图
b转向件详图
值，为企业和社会创造更多的经济效益和社会效益。di?【参考文献】
图3单立柱支架剖面及转向件详图
5. 2上部支架选型方案的经济性分析
南北向采用单立柱支架方案与双立柱支架方案比较用钢 量略有减少，但东西向单跨布置方案与多跨方案比较用钢量有 所增加，均衡两者的差异，最终2个方案的用钢量基本相仿。
通过分析基础形式和上部结构支架整体造价，可以得出(上接第33页）
【I】GB 50797—2012光伏电站设计规范[S].
【2】GB 51101—2016太阳能发电站支架基础技术规范【S].
【收稿日期】2019-05-22
构的自振周期大大延长,实现了减震耗能效果的增加，降低了桥
表3
桥墩低墩高墩
方向
纵桥向横桥向纵桥向横桥向
墩底截面内力统计
弯矩/(kN.m)926 2851 148 986815 4461 898 435
剪力/kN37 814
35 86732 41949 744
6结语
作为交通通行的重要组成部分，为了保证桥梁结构的使 用寿命和抗震能力的提升，需要对减隔震设计给予充分的重 视。我国当前减隔震技术尚未发展完善,需要进一步借鉴发达
根据表3可知，低墩结构控制截面内最大弯矩为 1 148 986kN.m,最大剪力为37 814kN，B_*作用下桥墩处于弹 性变形范围内,具有恢复原状的能力步泽翁的潜力;对于高 徵结构而言，最大弯矩为丨898 435kN.m,最大剪力为49 744kN, 能够满足结构抗震要求，扭雄具有更进力。
国家的先进设计经验，来进一步提高我国桥梁结构的抗震性 能，实现公路交通行业的健康良性发展。（fb
【参考文献】
【1 ]刘冰.桥梁iS计中隔震设计的重要性研究[J].江西建材，2018(2):114.
5. 4阻尼器最大阻尼力
由于阻尼器主要设置在纵桥向位置，因此,模拟分析主要 考虑在黏滞阻尼器对于纵桥向阻尼的增加。根据计算可知，阻 尼器的最大阻尼力为2 739kN,能够满足结构抗震设计要求和 实际抗震性能的需要。
【2】傅培其.桥梁设计中减隔赛设计方法探讨[J].建筑知识,2017(4):24- 25.
【3】刘治宇，王阔，苏杭.桥梁减隔震设计的粗浅认识[J].东北公路,2003 (3):56-57.
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主梁娜、翅
娜
、最不
型
5. 5抗震性能分析结论
麵顶十算分析可知，
【5】刘鹏飞.减隔震技术在桥梁结构设计中的应用分析[J].城市建筑, 2014(6):56-56,
和勝激内办W且尼器最大1!腿力均能满足结构抗震性能需要;虽 然桥梁处于10躯
40
，由于减隔震技术的设计应用，强震作用下结
【收稿日期】2019-04-30
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