浅议隔震技术在连续梁桥中应用

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浅议隔震技术在连续梁桥中应用　　摘要：减、隔震设计虽然有一定的局限性，但与传统的抗震设计方法相比，它能够从根本上减小结构的地震作用，有效提高结构在地震作用下的安全性。本文简要探讨了减隔震原理及其在连续梁桥中的应用和分析方法。关键词：隔震;减震;连续梁Abstract:thereductionofseismicisolationdesign,althoughtherearesomelimitations,butcomparedwiththetraditionaldesignmethod,itcanreducetheseismicstructurefundamentally,improvethesafetyofthestructureunderearthquake.Thispaperdiscussestheisolationprincipleandinthecontinuousbeambridgeandtheapplicationofanalysismethod.Keywords:isolation;vibration;continuousbeam中图分类号：U448.21+5文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）1桥梁隔震的概念、机理10 传统抗震设计方法主要依靠结构自身的强度、延性、耗能能力抵抗地震作用，该方法容许很大的地震力从地面传递给结构。而桥梁隔震设计的本质和目的就是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。为达到这个目的，可通过引入隔震支座延长结构的基本周期，避开地震能量集中的范围，从而降低结构的地震力。但通过延长结构周期降低地震力，必然使结构位移增大（如图1-1所示），可能造成设计上的困难。此外，由于结构较柔，在正常使用荷载作用下结构可能发生有害振动。为了控制过大变形，可在结构中引入阻尼装置，增加结构的阻尼，从而减小结构位移（如图1-1所示）。此外，从图1-2可知，增加结构的阻尼还可同时降低结构的动力加速度。因此，桥梁的隔震系统应满足三个基本的功能，即：一定的柔度(柔性支承)：用来延长结构周期，降低地震力；耗能能力(阻尼、耗能装置)：降低支承面处的相对变形，以便使位移在设计允许的范围内；一定的刚度、屈服力：在正常使用荷载下(如风，制动力等)结构不发生屈服和有害振动[1]。图1-1位移反应谱示意图1-2加速度反应谱示意2连续梁桥采用隔震技术的优越性和局限性分析表明，采用隔震技术后连续梁桥能够达到良好的减震效果[2-4]。绝大多数隔震桥梁是连续梁桥。10 对于连续梁桥，在每联的纵向一般通过固定和可动铰支座设置一个固定墩和多个自由墩。如果在强震下允许固定墩上支座剪坏，虽然可以因此而减小固定墩所受的水平地震力,但由于剪坏后的固定铰支座和可动铰支座不具有自恢复力,导致梁体的平衡位置在地震作用下会不断发生变化,梁体与墩台之间的相对位移很难控制。特别是当支座滑动面与上部结构接触面出现偶然倾斜时,梁体的平衡位置会沿倾斜方向越来越远离初始平衡位置,墩梁相对位移会越来越大。这种相对位移的累积不仅使震后支座有较大的残余位移,难于修复,而且相对位移过大可能导致落梁震害。虽然也可以在固定墩上设置抗震销或在纵向设置抗震挡块来加强固定盆式支座,强行保证其安全,但这样会使固定墩承受较大的地震力，产生较大的塑性变形,同样会给震后的修复工作带来巨大的困难。对于高墩连续梁桥，自由墩也会由于墩身较高而承受较大的地震作用。对于上述问题，当条件允许采用隔震支座时就可以很好的解决。当隔震装置采用的是铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座时，已经改变了传统钢支座等提供的约束关系，它与传统的支座不同：不再是提供简单的“固定”、“可动”约束条件，而是弹性约束条件。这就使得设计人员可以通过控制这种弹性约束关系，改善整个桥梁下部结构的受力。在连续梁桥中使用隔震装置有以下一些好处：10 通过设计隔震系统，可显著降低结构承受的地震作用，同时改善地震作用在下部结构各支座间的分布，以保护基础、桥墩、桥台等。对结构横向地震反应采用隔震，可以调节横向刚度，因而可改善结构的扭转平衡，所以还可全面降低地震力。当上部结构隔震段在平面图上又细又长时，有时可以通过调节隔震支座的横向刚度使得下部结构的刚度近似相等，从而达到调节结构的响应使其尽可能均匀一致。上部结构隔震可用来减小或消除在设计水准地震下下部结构超出弹性范围的现象，在难以检查或修复的地方，如部分埋置的桥墩和它们的基础，可避免在这些部位发生严重的非弹性变形。采用隔震系统后，在同等造价情况下可获得比传统抗震设计高的抗震性能，如保护墩柱，降低其延性需求等。这些隔震支座在正常使用条件下，由温度、收缩、徐变等变形引起的抗力很小，这为城市高架桥梁中超多跨连续梁桥的采用，即减少伸缩缝的使用提供了可能，使连续梁桥一联的长度增加，伸缩缝的减少大大改善了行车条件并降低了维护费用。同传统非隔震桥梁比，在经历较大地震后，隔震装置的更换比较容易，维修时间和费用均比较低，而传统桥梁的抗震加固在时间、费用上一般比较高。10 值得注意的是，隔震技术的应用并不是在任何情况下均适用。场地比较软弱、不稳定、或延长桥梁结构周期后容易发生共振等情况，不宜使用隔震技术。此外，隔震桥梁还应注意正常使用条件下由温度、收缩、徐变等变形引起的内力是否过大。由于采用了隔震技术，上部结构尤其是隔震支座处位移会比较大，地震作用下容易发生落梁事故，对桥梁伸缩缝设计和隔震支座的连接要求更高[1]。因此，在设计一个隔震桥之前，首先要判别其是否适合采用隔震技术。从国内外已有的研究结果可知，如果满足下面三个条件或其中一条就可尝试使用隔震技术进行桥梁的隔震设计。桥梁中有刚性墩，桥的基本振动周期比较短(如周期值位于规范设计谱的平台段)；桥梁是高度不规则的，例如相邻桥墩的高度显著不同，因而可能存在对某个墩延性要求很高的情况；对于给定的场地，预期地面运动特性比较明确，具有较高的卓越频率和在长周期范围内所含能量较低。3两种隔震桥梁分析方法3.1反应谱法反应谱分析方法主要适用于桥型规则的隔震桥梁，即采用隔震设计后，隔震桥响应基本由隔震振型控制的桥梁。以采用铅芯橡胶隔震支座桥梁的顺桥向地震响应分析为例，建立全桥模型的多自由度体系的反应谱分析有以下步骤。10 在整个分析中，引入如下一些假设，一、分析模型中结构质量集中于节点；二、计算整个隔震桥第一振型阻尼比时，按照等耗能原则，由各桥墩处隔震支座的等效阻尼比计算得到，对于其它高阶振型的阻尼比均假定为5％。按照图3.1所示流程，具体分析过程如下。1）首先建立全桥顺桥向合理的分析模型，包括结构各节点的集中质量、单元刚度等的计算。2）根据拟定好的铅芯橡胶隔震支座的尺寸、铅芯直径、橡胶单层厚度、总体厚度确定铅芯橡胶支座双线性分析模型中的初始刚度、屈服后刚度、和屈服强度。3）假定铅芯橡胶支座在该地震作用下的变形，进而由双线性模型依据假定位移值计算得到铅芯橡胶支座等效线性化模型中的等效刚度、等效阻尼比值。　　4）在分析模型中，铅芯橡胶支座用弹簧模型来模拟，其中，弹簧模型的刚度及阻尼比取第3步所得结果。5）用程序计算结构的各阶周期和对应阻尼比，通常取前几阶周期即可。6）根据计算的周期及对应的阻尼比，结合设计谱(此处需考虑不同阻尼比对反应谱值的修正，计算结构的顺桥向响应，包括桥墩受力、铅芯橡胶支座的变形等。10 7）比较第6步计算的铅芯橡胶支座变形与第3步假定的铅芯橡胶支座变形值是否在允许误差范围内，如果是，计算结束，根据第6步计算结果用于设计、或校核。如果不在允许范围内，则回到第3步重新计算，直到在允许误差范围内为止。此时需用第6步计算的铅芯橡胶支座变形代替原有的假设值。从上面的弹性反应谱分析方法过程可知，隔震桥梁反应谱分析是一个迭代过程（如图3.1-1所示），在第3步首先需假设隔震支座的变形，进而得到等效刚度、等效阻尼比，用于其后的分析。但初始变形的假定值如何取比较合适，一般文献均没有提及。从目前关于隔震桥动力响应的分析可知，当隔震桥梁设计的比较合理的情况，一般隔震周期相对较长，且响应基本以隔震支座变形为主，桥墩所占变形比例很小。因此，可根据支座的初始刚度得到的结构基本周期，通过反应谱得到隔震桥在弹性情况下的位移，并将此位移值假设为隔震支座的变形，进行随后的弹性反应谱分析，这样整个迭代过程可能收敛比较快。图3.1-1结构响应计算流程10 由此可见隔震桥梁的弹性反应谱分析同普通桥梁的弹性反应谱分析过程是不同的，具体体现在：⑦由于隔震装置的非线性特性，必须借助于等效线性化模型才能进行分析；②借助于等效线性化模型进行分析，但因分析之前无法确定隔震支座在地震作用下发生的位移值，而其等效线性化模型中的等效刚度、等效阻尼比参数均依赖于该位移值，所以整个分析过程是一个迭代过程；③普通桥梁的反应谱分析一般均假设结构各振动周期阻尼比为5％，但对于隔震桥梁，由于整个体系耗能能力不再均匀分布，隔震装置处的耗能能力大，而由其它构件所耗能量相对比较少，因此，隔震桥梁各振动周期对应阻尼比是不相同的，基本周期(有时称为隔震周期)的阻尼比一般比较大，约10％—20％，有时甚至更高，这就要求在反应诺分析过程中一方面要考虑不同振动模态采用不同的阻尼比，另一方面需考虑不同阻尼比对反应谱值的修正。正是由于这些特点，使得隔震桥梁结构的反应谱分析方法比普通桥梁的反应谱分析过程复杂。3.2非线性动力时程分析方法目前使用比较广泛的隔震装置类型，其力学特性大多数是非线性的，再考虑到桥梁本身的力学参数（桥墩和基础刚度、上部结构质量和刚度等），土——结构相互作用，地震动等各种影响因素，要把握隔震结构在罕遇地震作用下的动力响应特性，比较合理的方法是采用非线性动力时程分析方法。我国公路桥梁抗震设计细则对减隔震桥梁抗震分析方法的规定是，可采用反应谱法、动力时程法和功率谱法。一般情况下，宜采用非线性动力时程分析法。10 同非隔震桥梁相比，隔震桥梁的模型建立有许多不同的特点。其一，对于隔震桥，大量连接构件对结构响应的影响增大，因此必须对这些连接构件给予仔细考虑，这些包括位移限制装置(如挡块)和在相邻桥面板伸缩缝间设置的连接单元等。其二，通常采用隔震设计后，在设计地震作用下，墩因受隔震装置的保护，不发生非弹性变形(如全保护隔震设计)，则可用线性单元来描述(当然，在分析结束后，对此应做校核)。其三，由于采用包括桥面梁质量的低频模态隔震，墩的振动类似于底部嵌固，顶部受约束的独立结构的振动。因此，有必要考虑墩的质量和它自身的振动模态。其四，桥面梁虽然常可以模拟成线弹性单元，但应仔细考虑其质量分布和高阶振动模态。此外，同普通桥梁相比，隔震桥梁的非线性动力时程分析中，还需对减隔震装置的模型给予特殊考虑。4结论连续梁桥采用隔震技术可减小总的地震作用，同时利用隔震支座的刚度更合理地将地震力分配到下部结构，有效地减小了整个结构的反应，保护了墩台和基础等下部结构，同时可以减小震后的加固工作量。但应注意到，引入隔震支座后，上部结构位移反应增大，应当采取措施防止落梁破坏，同时伸缩缝的设置要求也更高，正常使用状态下结构的振动问题更加突出。隔震支座成为关键部位，其工作性能至关重要。5参考文献[1]范立础，王志强.《桥梁抗震设计理论及应用桥梁减隔震设计》[M].北京：人民交通出版社，2001.[2]10 孙得怡等.连续梁桥隔震设计与分析若干问题讨论[J].工程抗震与加固改造，2006，28(4).[3]郭磊等.大跨度连续梁桥减隔震设计研究[J].土木工程学报，2006，39(3).[4]徐秀丽等.高墩连续梁桥减震设计研究[J].工程抗震与加固改造，2005，27(5).10