彭天波，于訓(xùn)濤，王立志，張培基

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.豐澤工程橡膠科技開發(fā)股份有限公司，河北 衡水053000）

橋梁減隔震設(shè)計(jì)方法是一種能夠有效減輕橋梁結(jié)構(gòu)在地震中遭受損壞的設(shè)計(jì)方法，它主要利用減震裝置消耗傳入結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)能量，并采用隔震裝置將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起破壞的地震運(yùn)動(dòng)分離開來，從而大幅減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震作用，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性［1－3］.最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)減隔震設(shè)計(jì)的方法是采用具有減隔震功能的支座代替普通橋梁支座.

大部分國家的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法采用的是兩水平設(shè)防.例如在《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定，對(duì)于除單跨跨徑超過150m的特大橋以外的高速公路和一級(jí)公路上的橋梁及二級(jí)公路上的大橋、特大橋等其抗震設(shè)防目標(biāo)是小震（E1水平地震作用，重現(xiàn)期約為50～100年）不壞，大震（E2水平地震作用，重現(xiàn)期約為2 000年）不倒.近期發(fā)生的幾次大地震，如汶川地震，之所以造成如此嚴(yán)重的破壞，一個(gè)很重要的原因就是實(shí)際地震烈度遠(yuǎn)高于預(yù)計(jì)的設(shè)防烈度［4］.因此鑒于地震發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)和烈度的不確定性，橋梁結(jié)構(gòu)遭受大于規(guī)范規(guī)定的E2地震作用的可能性是不容忽視的.由于現(xiàn)行規(guī)范沒有明確這種情況下的橋梁抗震性能要求，本文建議即使在大于E2水平的地震作用下也不出現(xiàn)倒塌、落梁等嚴(yán)重影響交通安全、危害人員生命的震害現(xiàn)象.建議的橋梁各級(jí)抗震性能要求與相應(yīng)的地震作用水平的關(guān)系如表1，表中 MPE（maximum possible earthquake）代表橋梁結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)可能遭受的最強(qiáng)烈的地震作用.

如表1所示，本文建議連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)方法采用的是三水平設(shè)防，就是針對(duì)前述的E1，E2，MPE這3級(jí)地震作用水平相應(yīng)地要求橋梁具有不同的抗震性能.在E1水平地震作用下，主要是通過固定支座和橫向活動(dòng)支座來承受縱橋向地震水平力的作用，固定支座和縱向活動(dòng)支座承受橫橋向地震水平力的作用，同時(shí)橋墩及其基礎(chǔ)也需要具有一定的初始強(qiáng)度，以保證在E1水平地震作用下保持完好.在E2水平地震作用下，支座需要轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袦p隔震功能的支座，從而使得橋梁體系轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶诇p隔震系統(tǒng)以保護(hù)橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗震安全.在MPE水平地震作用下，這些支座應(yīng)該轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹缆淞汗δ艿闹ё?，同時(shí)啟動(dòng)下部結(jié)構(gòu)的延性抗震能力以防止橋梁發(fā)生倒塌、落梁等震害現(xiàn)象.顯然支座體系在不同水平的地震作用下應(yīng)具有不同的功能要求.

表1 橋梁各級(jí)抗震性能要求與相應(yīng)的地震作用水平的關(guān)系Tab.1 Seismic performance requirements and the corresponding seismic intensities

常規(guī)的減隔震支座多是采用一水平設(shè)防（只配有減隔震裝置）或二水平設(shè)防（只配有剪力銷和減隔震裝置）的抗震性能要求，這些支座不能實(shí)現(xiàn)三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計(jì)理念.為了滿足連續(xù)梁橋三水平設(shè)防的抗震性能要求，開發(fā)了一種多道防線抗震球 型 鋼 支 座 （multi－defense aseismic spherical bearing，MDAS支座），該支座結(jié)合了保證正常使用、剪力銷抗剪、摩擦耗能、懸臂棒彎曲耗能、剛性擋塊防落梁、豎向抗拉等多項(xiàng)功能，應(yīng)用了多道抗震防線的思想，可以保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能和最大限度地保障橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全.

本文首先闡述MDAS支座的構(gòu)造特點(diǎn)和工作機(jī)理，然后通過力學(xué)性能試驗(yàn)表明MDAS支座可以實(shí)現(xiàn)三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法，并具有穩(wěn)定可靠的抗震性能.

1 MDAS支座的構(gòu)造特點(diǎn)

根據(jù)支座在正常使用下和小震作用下的狀態(tài)不同，MDAS支座系列產(chǎn)品可以分為固定、縱向活動(dòng)、橫向活動(dòng)和雙向活動(dòng)4類.根據(jù)懸臂棒布置的位置，即減隔震方向的不同，系列產(chǎn)品可以分為雙向減隔震、縱向減隔震和橫向減隔震3類.單向減隔震只需要在1個(gè)方向設(shè)置懸臂棒，而雙向減隔震則需要在2個(gè)方向設(shè)置懸臂棒.對(duì)以上幾類支座進(jìn)行組合，可以得到以下12類產(chǎn)品：即固定且雙向減隔震MDAS支座、固定且縱向減隔震MDAS支座、固定且橫向減隔震MDAS支座、縱向活動(dòng)且雙向減隔震MDAS支座、縱向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座、縱向活動(dòng)且橫向減隔震MDAS支座、橫向活動(dòng)且雙向減隔震MDAS支座、橫向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座、橫向活動(dòng)且橫向減隔震MDAS支座、雙向活動(dòng)且雙向減隔震MDAS支座、雙向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座、雙向活動(dòng)且橫向減隔震MDAS支座.

以1個(gè)縱向活動(dòng)且橫向減隔震MDAS支座為例，其構(gòu)造特點(diǎn)如圖1.支座由上滑板、上支座板、球芯、底座、底板、剪力銷、懸臂棒、剛性擋塊、導(dǎo)軌等部件以及活動(dòng)面之間的摩擦副組成.上支座板、球芯、底座與底板之間的平面和球面活動(dòng)面可以適應(yīng)支座平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的需要.對(duì)支座運(yùn)動(dòng)的約束有2種方式：采用剪力銷或者采用導(dǎo)軌.區(qū)別在于，采用剪力銷只能對(duì)正常使用下和E1水平地震作用下的水平位移進(jìn)行約束，而如果采用導(dǎo)軌，則在任何情況下導(dǎo)軌的1個(gè)方向的相對(duì)位移受到約束，而另外1個(gè)方向的是相對(duì)自由的.對(duì)于圖1中縱向活動(dòng)、橫向約束的支座，上滑板與上支座板之間可以自由地相對(duì)滑動(dòng)以實(shí)現(xiàn)支座的縱向活動(dòng)，底座與底板之間縱橋向是采用導(dǎo)軌約束的，橫橋向通過剪力銷抗剪，剪力銷剪斷后可以相對(duì)運(yùn)動(dòng).

在上滑板兩側(cè)部分區(qū)段增加了板的厚度，在加厚段下方加工了可以容納懸臂棒端頭的凹槽.懸臂棒根部固定在底板上，端頭嵌入凹槽，保證其可以與上滑板一起運(yùn)動(dòng).剛性擋塊固定在底板上，其內(nèi)側(cè)與懸臂棒根部?jī)?nèi)側(cè)平齊，可以確保在懸臂棒折斷后擋住底座，防止支座各部件沿側(cè)向相互脫離，從而喪失對(duì)上部結(jié)構(gòu)的支承作用.通過導(dǎo)軌外凸部分的相互扣拉實(shí)現(xiàn)豎向抗拉功能，防止支座沿豎向相互脫離.

2 MDAS支座的工作機(jī)理

以1個(gè)4跨連續(xù)梁橋?yàn)槔?，分別介紹在縱橋向地震和橫橋向地震作用下MDAS支座的工作機(jī)理.此連續(xù)梁橋設(shè)置了1個(gè)固定墩和4個(gè)活動(dòng)墩，在固定墩上安裝了1個(gè)固定且縱向減隔震MDAS支座和1個(gè)橫向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座，在每個(gè)活動(dòng)墩上各安裝了1個(gè)縱向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座和1個(gè)雙向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座.具體的支座布置形式如圖2所示.

圖1 MDAS支座的構(gòu)造示意Fig.1 Configuration of a MDAS bearing

圖2 采用三水平設(shè)防抗震設(shè)計(jì)的連續(xù)梁橋示例Fig.2 The bridge example designed with the proposed seismic design method

首先考慮縱橋向的抗震性能.在E1水平地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平力主要是由固定且縱向減隔震MDAS支座（支座1）和橫向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座（支座2）的限制支座水平縱向相對(duì)位移的剪力銷來抵抗的.這是設(shè)計(jì)的第1道抗震防線.

一旦在E2水平地震作用下，支座承受的水平地震作用大于某一設(shè)計(jì)值，則相應(yīng)的剪力銷被剪斷，連續(xù)梁橋固定墩的支座1和支座2立即進(jìn)入減隔震工作狀態(tài)，起到吸收和耗散地震能的作用.對(duì)于活動(dòng)墩的縱向活動(dòng)且縱向減隔震型MDAS支座（支座3）和雙向活動(dòng)且縱向減隔震MDAS支座（支座4），如果地震位移不大于設(shè)計(jì)的正常使用滑移量，則該支座只能通過摩擦的形式耗能.如果地震位移大于設(shè)計(jì)的正常使用滑移量，則懸臂棒將發(fā)生彎曲變形，也起到耗能作用.這是設(shè)計(jì)的縱橋向第2道抗震防線.

在MPE水平地震作用下，一旦達(dá)到允許的最大支座位移，可以通過所有支座在懸臂棒外側(cè)設(shè)置剛性擋塊和豎向抗拉措施保證支座的整體性，最大限度地保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全.到了這一步，支座的抗震能力就已經(jīng)用到了極限，進(jìn)一步的抗震要求只能通過下部結(jié)構(gòu)的延性抗震來予以抵抗.這就是設(shè)計(jì)的第3道抗震防線.

接下來考慮橫橋向的抗震性能.在E1水平地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平力主要是由支座1和支座3的限制支座水平橫向相對(duì)位移的剪力銷來抵抗的.這是設(shè)計(jì)的第1道抗震防線.

一旦在E2水平地震作用下，支座承受的水平地震作用大于某一設(shè)計(jì)值，則相應(yīng)的剪力銷被剪斷，支座1和支座3立即進(jìn)入減隔震工作狀態(tài)，起到吸收和耗散地震能的作用.對(duì)于支座2和支座4，如果地震位移不大于設(shè)計(jì)的正常使用滑移量，則該支座只能通過摩擦的形式耗能.如果地震位移大于設(shè)計(jì)的正常使用滑移量，則懸臂棒將發(fā)生彎曲變形，起到耗能作用.這是設(shè)計(jì)的橫橋向第2道抗震防線.

同樣在MPE水平地震作用下，可以通過所有支座的剛性擋塊和豎向抗拉措施保證支座的整體性，觸發(fā)橋梁下部結(jié)構(gòu)的延性抗震能力來保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全.這作為設(shè)計(jì)的第3道抗震防線.

3 MDAS支座的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證MDAS支座的抗震性能，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)一個(gè)足尺的縱向活動(dòng)且橫橋向減隔震MDAS支座進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)研究.根據(jù)三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計(jì)要求對(duì)支座試樣提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，如表2所示.

整個(gè)循環(huán)測(cè)試過程中支座沒有破壞，表2中列出了相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，支座的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足三水平設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計(jì)所提出的要求.試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)位移幅值±100mm時(shí)的等效阻尼比為46.1%，等效剛度為7.645kN·mm－1.

表2 支座試樣的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Design requirements and test results of the MDAS bearing

支座的水平滯回曲線給出的是支座側(cè)向位移與水平荷載之間的關(guān)系，它反映了支座的剛度和耗能能力.在滯回性能試驗(yàn)中，首先施加豎向設(shè)計(jì)荷載，然后施加幅值為±10，±20，±50和±100mm的水平位移，每個(gè)位移做5次水平往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，記錄試驗(yàn)中的水平位移與相應(yīng)的水平荷載.試驗(yàn)測(cè)得的支座水平滯回曲線見圖3，支座的等效阻尼比比較大，滯回環(huán)飽滿，耗能能力良好；支座的減隔震性能非常穩(wěn)定，曲線的重合性比較好，表明該支座的減隔震能力非?？煽?

圖3 試驗(yàn)測(cè)得的支座水平滯回曲線Fig.3 Horizontal hysteresis curve of bearing measured in the test

4 結(jié)論

（1）建議的三水平設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)方法結(jié)合了減隔震設(shè)計(jì)方法和延性抗震設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地控制橋梁的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抗震能力.

（2）MDAS支座可以滿足三水平設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)支座力學(xué)性能的要求.

（3）支座的等效阻尼比比較大，滯回環(huán)飽滿，耗能能力良好，具有較好的減隔震效果.

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［2］周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京：地震出版社，1997.ZHOU Fulin.Earthquake reduction control for engineering structure［M］.Beijing：Earthquake Press，1997.

［3］Kelly T E.Base isolation of structures—design guidelines［R］.Wellington：Holmes Consulting Group Ltd，2001.

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