李鵬程

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來，我國(guó)路橋總里程數(shù)穩(wěn)居世界第一，橋梁的數(shù)量不斷增加，儼然已成為人們生活中必不可少的一種建筑結(jié)構(gòu)。但是，我國(guó)地震頻發(fā)，橋梁結(jié)構(gòu)因地震而時(shí)常發(fā)生耐久性下降及失穩(wěn)等問題，人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全因此遭受了巨大損失。公路橋梁震害不但直接危及人們的生命安全問題，還給災(zāi)后救援工作帶來了極大的困難與阻礙。因此研究橋梁抗震設(shè)計(jì)以及橋梁減隔震技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于避免橋梁結(jié)構(gòu)震害問題有著重要的研究意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及震害特點(diǎn)

1.1 我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

我國(guó)橋梁抗震研究起步較晚，1976年唐山大地震后，由于地震對(duì)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，以及受橋梁結(jié)構(gòu)破壞后的一系列嚴(yán)重后果的啟示，抗震研究及抗震設(shè)計(jì)在橋梁中才真正得到發(fā)展。結(jié)構(gòu)抗震分析早期主要采用靜力理論，隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代，地震反應(yīng)譜法、結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析法被逐漸應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析中。到20世紀(jì)60年代，結(jié)構(gòu)抗震理論研究步入成熟階段。1977年頒布了《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 004—89），進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)。

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范在借鑒美國(guó)、日本等橋梁抗震規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出兩水準(zhǔn)設(shè)防和兩階段設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵抗震設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，抗震設(shè)計(jì)邁出了一大步，實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際的接軌。但中外橋梁實(shí)際建造體系不同，橋梁結(jié)構(gòu)傳力方式有所差異，借鑒時(shí)未全面考慮我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)與國(guó)外的差異性，造成了我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在指導(dǎo)實(shí)踐時(shí)暴露出一些問題。

我國(guó)中小跨徑公路橋梁上部結(jié)構(gòu)利用板式橡膠支座鉸接。美國(guó)大部分橋梁結(jié)構(gòu)采用框架式橋墩，主梁和墩柱剛接。日本主要采用以鋼支承為主的結(jié)構(gòu)體系。

早期美國(guó)和日本公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求在地震作用下，路橋結(jié)構(gòu)支座不發(fā)生破壞，保證橋梁上下結(jié)構(gòu)傳力不中斷，上部結(jié)構(gòu)地震作用力通過支座傳給橋墩。我國(guó)現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范忽略了中外橋梁結(jié)構(gòu)體系的不同，也要求中國(guó)橋梁傳力體系不中斷，即支座不發(fā)生破壞，并通過在橋墩頂預(yù)設(shè)耗能部件來耗散地震能。但我國(guó)橋梁的板式橡膠支座，屬于塑性鉸接，大震下不可避免發(fā)生損傷，背離了我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)大震作用下保證結(jié)構(gòu)上下傳力不中斷的要求，即實(shí)際上難以滿足規(guī)范[1]。這也造成我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)及損傷模式，參考和借鑒國(guó)外學(xué)者的研究，已經(jīng)不能滿足我國(guó)的現(xiàn)實(shí)要求，亟待更多的研究。

1.2 我國(guó)橋梁震害分析

1976年唐山大地震（7.8級(jí)）中，遭受震害的鐵路橋梁占總數(shù)的39.3%。唐山地震中，鐵路橋梁的主要破壞形式有以下幾種[2]：

（1）墩臺(tái)破壞：地震中鐵路橋梁墩臺(tái)出現(xiàn)了不同程度的損傷，橋墩產(chǎn)生橫向裂紋，部分橋墩剪斷，橋臺(tái)下沉，路面變形破壞。

（2）橋梁縱、橫向位移：地震中鐵路橋梁梁體發(fā)生縱向和橫向大位移，其中薊運(yùn)河鐵路橋的多數(shù)橋支座震后偏離在橋墩外，其下行單線橋兩孔鋼梁在河心相撞，鋼梁起落后，向下游橫移0.7m左右等。

（3）支座破壞：在唐山地震中鐵路橋梁支座破壞達(dá)19座。圖1為唐山地震中橋梁震害圖。

圖1 唐山大地震橋梁震害圖

2008年四川汶川地震（8.0級(jí)）中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)有270余座橋梁遭到破壞。在汶川地震中，鐵路橋梁的主要破壞形式有以下幾種[3]：

（1）墩臺(tái)破壞：此次地震中，墩臺(tái)混凝土產(chǎn)生開裂與剝落破壞；水平向剪切破壞，距墩底1/3～1/6處出現(xiàn)明顯的水平貫通裂縫。

（2）橋梁縱、橫向位移：位于近場(chǎng)地震區(qū)的橋梁，上部結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)不同程度的縱橫向位移破壞。

（3）支座破壞：汶川地震中，由于梁體位移造成支座彎曲或者剪切破壞，部分支座脫離梁體、支座上下板移位，甚至傾覆。圖2為汶川地震中橋梁震害圖。

圖2 汶川地震橋梁震害圖

通過這些震害現(xiàn)象分析，在橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，從傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)手段上，首先應(yīng)盡可能地采用整體規(guī)則性好的橋梁結(jié)構(gòu)布置形式，避免結(jié)構(gòu)不規(guī)則或質(zhì)量和剛度不連續(xù)等；其次，應(yīng)合理地選擇橋梁上下結(jié)構(gòu)的連接形式，對(duì)于高橋墩的橋梁，適當(dāng)?shù)剡x擇剛性連接，對(duì)于矮橋墩的橋梁，建議選擇塑性鉸連接，同時(shí)注意橋墩的搭接長(zhǎng)度和梁設(shè)置的合理性。兩次地震后，橋梁的震害統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用板式橡膠支座的橋梁，雖然容易造成上部結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，但其混凝土擋塊在地震中的適當(dāng)犧牲，可作為地震能量耗散結(jié)構(gòu)，能夠有效降低橋梁下部結(jié)構(gòu)所受的地震力。地震中，采用板式橡膠支座的橋梁屬于廣義的隔震措施，支墩損傷較輕。但是在抗震設(shè)計(jì)中如何把握擋板損傷程度，并控制上部梁體的位移在可接受范圍內(nèi)，仍然需要更多的研究。

2 減隔震技術(shù)研究

2.1 橋梁減隔震技術(shù)的研究與應(yīng)用

基于上述我國(guó)橋梁的主要震害特點(diǎn)分析，地震時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的力和位移，而上部結(jié)構(gòu)的變形，主要取決于上下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和耗能等。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材料等確定后，其質(zhì)量和剛度的可變?nèi)哂喽容^小，能夠進(jìn)行抗震控制的關(guān)鍵點(diǎn)最終落在結(jié)構(gòu)地震能力耗散的多少及耗能的有效性上。

傳統(tǒng)的橋梁抗震手段在結(jié)構(gòu)抗震有效性方面具有局限性。減隔震設(shè)計(jì)的橋梁，通過隔震和耗能裝置，致力于結(jié)構(gòu)地震能量的耗散與結(jié)構(gòu)地震作用的控制，可以在地震時(shí)有效地控制橋梁的地震力和位移，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和性能。

1881年日本學(xué)者河合浩藏首先提出基礎(chǔ)隔震的概念。隨后橋梁減隔震的研究進(jìn)入繁榮期。目前應(yīng)用在橋梁上的減隔震裝置主要有橡膠類支座、摩擦類支座、彈塑性阻尼器等。

基于前人的研究分析，疊層橡膠支座的本構(gòu)模型可以采用線性模型來表示。鉛芯橡膠支座的力學(xué)模型可以用雙線性分析模型來表示。摩擦擺式支座的恢復(fù)力模型為雙線性。由此可見，不同的減隔震裝置，其自身剛度、彈塑性、耗能水平等不同，造成其計(jì)算力學(xué)模型不同，在進(jìn)行橋梁減隔震設(shè)計(jì)及研究時(shí)，對(duì)減隔震裝置的力學(xué)性能分析是各種研究開展的重要前提。

隨著基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與各種減隔震技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)由降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)向更高水平的優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能控制的方向不斷發(fā)展。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)邁向一個(gè)新階段。

2.2 減隔震橋梁地震反應(yīng)分析

本文對(duì)減隔震橋梁的抗震性能研究，依托于某預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，本工程擬采用E型鋼阻尼隔震支座，E型鋼阻尼支座是把普通橡膠支座與彈塑性軟鋼阻尼元件結(jié)合起來使用，目前在公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。

E型鋼阻尼元件的力學(xué)模型，可簡(jiǎn)化為桿系模型進(jìn)行分析，其中兩邊與橋梁下部結(jié)構(gòu)聯(lián)系的點(diǎn)作為鉸支，中間與橋梁上部結(jié)構(gòu)聯(lián)系的點(diǎn)作為可動(dòng)，如圖3所示。

圖3 E型鋼力學(xué)模型

式中:σy為E型鋼板的屈服強(qiáng)度；εy為屈服應(yīng)變；εmax由選用的鋼材決定；s為板厚；b為直臂段的寬度;h為力臂；b1為中間臂的平均寬度；b2為側(cè)臂的平均寬度；l為E型鋼板直臂段長(zhǎng)度。

綜合計(jì)算可得，E型鋼阻尼元件的力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上疊加盆式橡膠支座的力學(xué)模型，可得到組合減隔震支座的力學(xué)模型，E型鋼阻尼支座的力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 支座力學(xué)模型

本文以日本地震分析軟件FRAME分別建立工程實(shí)例橋梁的隔震橋梁計(jì)算模型和非隔震橋梁計(jì)算模型。在有限元模型中，主梁采用線彈性梁?jiǎn)卧瑯蚨詹捎镁€彈性梁?jiǎn)卧?，減隔震支座變形采用雙直線彈簧單元。建立基礎(chǔ)—橋墩—支座（減隔震支座）—梁體的數(shù)值模型。

本文以采用E型鋼阻尼支座的橋梁為建模對(duì)象，從PEER地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)選取3條歷史地震動(dòng)記錄：EICentro波、SanFernando波和汶川地震波，作為地震動(dòng)輸入條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析。通過分析，計(jì)算非隔震橋梁與隔震橋梁在地震作用下：支座損傷（以地震作用下支座位移是否超過支座所能承受的極限位移，判定支座損傷與否）、梁體相對(duì)位移、墩底最大剪力等結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 支座損傷

圖6 梁體相對(duì)位移

圖7 墩底剪力

通過對(duì)比分析可得：雖然隔震橋梁隔震支座位移大于非隔震橋梁支座位移，但隔震橋梁支座損傷遠(yuǎn)小于非隔震支座損傷；隔震橋梁梁體相對(duì)位移明顯小于非隔震橋梁梁體相對(duì)位移；隔震橋梁地震作用下結(jié)構(gòu)的墩底剪力最大值明顯小于非隔震橋梁。由此可見，減隔震技術(shù)是一種行之有效的橋梁結(jié)構(gòu)抗震措施，可以明顯降低結(jié)構(gòu)地震力作用。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，隔震橋梁的減隔震效果與結(jié)構(gòu)自有周期和隔震后的結(jié)構(gòu)周期有一定關(guān)系，可作為后續(xù)研究方向。在隔震設(shè)計(jì)時(shí)，除了明確隔震裝置的力學(xué)性能，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)周期與隔震后的結(jié)構(gòu)周期關(guān)系，及其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。我國(guó)橋梁減隔震技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐，不如其他建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，減隔震橋梁技術(shù)與抗震性能等，仍需更多的應(yīng)用與研究。

3 結(jié)論

（1）本文從國(guó)內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)體系與傳力分析方面，結(jié)合我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，提出了橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的不足；（2）通過分析唐山地震和汶川地震中橋梁震害特點(diǎn)，指明橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)控制方向及關(guān)鍵點(diǎn)；（3）通過理論分析與數(shù)值模擬，對(duì)比分析隔震橋梁與傳統(tǒng)非隔震橋梁的地震響應(yīng)，論證了減隔震技術(shù)是一種行之有效的橋梁抗震手段，為橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考，推動(dòng)減隔震技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用與研究。