长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 2 8 No 3 Se p 2 01 l 长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 卓卫东， 孙颖， 谷 音 (福州大学土木工程学院， 福建福州3 5 0 1 0 8 ) 摘要： 长大公路混凝土连续梁桥通常具有全桥连续长度大、 联长较长 、 上部混凝土主梁 自重较大、 结构较刚等 特点， 当建于强震区时， 其抗震设计是个技术难点。本文介绍了长大公路混凝土连续梁桥的抗震结构、 隔震结 构和振动控制结构的设计概念， 并对 3种基本抗震设计概念的适用性进行了评述。基于实桥案例， 对当前实际 工程 中应用最多的抗震结构方案与隔震结构方案进行 了技术 比选 。结 构地震反 应分 析结果 表明 ， 与常规 的抗 震结 构方案相 比， 隔震结构方案 可使 全桥各联 下部 结构 的纵桥向和横桥向的总地震 内力平 均降低 5 6 和 6 5 以上。本文还侧重介绍了方案比选中隔震支座的选型问题及初拟铅芯橡胶隔震支座设计参数的简化方法， 供 同类工程参考借鉴。 关键词： 公路； 长大连续梁桥 ； 抗震结构； 隔震结构； 方案比选 中图分类号 ： U 4 4 2 5 5 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -03 1 3 -09 长大桥梁通常是指总长在 1 0 0 0 m 以上 的桥 梁 。对长大公路 昆凝土连续 梁桥 ， 通常还具有多 跨 、 多联 的特点。当前 ， 桥梁抗震可以采取 “ 抗震 结构” 、 “ 隔震结构 ” 和 “ 振动控 制结构 ” 等 型式 。 除了需外部能量输入 的“ 振动控制 结构” 的设计 理论 尚不成熟 、 应用较少外 ， 其余两类结构的设计 理论都较为成熟 ， 并得 到了大量的工程应用 。本 文首先就长大公路混凝土连续梁桥 的抗震设计概 念进行讨论 ； 然后 ， 以某一总长达 4 1 5 3 2 m的公 路预应力混凝土连续梁桥为工程背景 ， 对常规 的 “ 抗震结构” 方案与先进的“ 隔震结 构” 方案进行 了技术比选 。文中还侧重讨论 了方案比选中隔震 支座的选型及其设计参数初拟的问题 ， 以供 同类 工程参考借鉴。 1 长大连续梁桥 的抗震设计概念 目前 ， 长大公路混凝土连续梁桥建于强震区 时 ， 其抗震设计主要可采用“ 抗震结构”、 “ 隔震结 构” 和“ 振动控制结构” 等三种型式 ； 其 中， “ 隔震 结构” 实质上属于 “ 振动控制结构 ” 型式 ， 由于其 特殊性及较多的工程应用 ， 所以也单独列为一类。 以下 ， 就长大公路混凝土连续梁桥 ， 对这三种型式 的设计概念进行讨论 。 1 1 抗震结构设计概念 “ 抗震结构” 是指仅依靠构件 自身强度 、 刚度 和延性来抵抗地震作用的桥梁结构。它是一种传 统的抗震设计概念 ， 也是 当前实际工程 中应用最 多的。在设计理论上 ， 可 以采用强度设计理论或 延性 设计 理论 。 对长大公路混凝土连续梁桥 ， 由于其多跨 、 多 联或一联多跨的特点 ， 为 了适 应上部结构温度变 形以及混凝土收缩 、 徐变等需要 ， 往往一联仅设置 一 个或少量的固定 支座墩 ， 用 于抵抗汽车制动力 等水平荷载。然而 ， 当其建于强震区时， 固定支座 墩往往承担了绝大部分的纵桥向的上部结构地震 惯性力 ， 从而对 固定支座墩提 出了很高 的强 度和延性要求 ； 相应地 ， 对与之连接的固定支座和 下部基础也提出了很高的设计强度要求 。为满足 抗震设计要求 ， 可采取增大 固定支座墩及其下部 基础截面， 或在一联 中增加 固定支座墩数量等技 术措施 ， 但这些措施又会增大结构的刚度 和设计 地震力 ， 使得传统的“ 抗震结构” 设计概念对长大 公路混凝 土连续梁桥 往往 表现得 “ 力不从 心” 。 更好的技术措施之一是全桥各墩都设置弹性支座 ( 如板式橡胶支座) ， 使各墩共同承担纵桥向的上 部结构地震惯性力 ， 但这种措施一般仅适用于中、 小跨径的公路混凝 土连续梁桥。此外 ， 目前 “ 抗 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 5 3 0 作者简介 ： 卓 卫东( 1 9 6 6 ) ， 男 ， 福建莆 田人 ， 教授 ， 博导 ， 博士 ， 研究方 向为桥梁抗震 ( E m a i l ： z h u o w d f z u e d u c n ) 基金项 目：福建省高等学校新世纪优 秀人才支持计划( T W2 0 0 6 - 2 8 ) 3 1 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 震结构” 大都基 于延性设计理论 、 采用能力设计 法进行抗震设计 ， 通常选择抗侧力桥墩 ( 通常是 全桥的所有桥墩 ) 作 为延性 构件 ， 其余 的作为能 力保护构件 ； 这样 ， 混凝土桥墩在设计预期的大震 作用下就不可避免要发生损坏甚至严重破坏 J 。 这也是传统的“ 抗震结构” 设计概念的一个缺陷。 为了使长大公路混凝土连续梁桥的活动支座 墩参与承担纵桥向的上部结构地震惯性力， 近年 来国外开发 了一种称为 “ L o c k u p ” 的装置 ( 简称 L U D) ， 又称为 冲击传递装置 ( S h o c k T r a n s m i s s i o n U n i t ) 。当受到突加的动力激励时， 如破坏性 的 地震 、 风和瞬 间制动力等 ， L U D装 置能迅速锁定 连接该装置 的两端节点 的相对位 移。可以设定 L U D装置的锁定速率 ， 使之在温度变形或混凝土 收缩 、 徐变等缓慢变形下不发挥作用。依 照 L U D 装置的工作原理 ， 可根据需要在长大公路混凝土 连续梁桥 的活动支座墩 与主梁之问安装 L U D装 置 ， 在正常使用条件下 ， L U D装置基本不 改变桥 梁结构的原有功能 ， 但在突发 的破坏性地震作用 下， 迅速锁定活动支座墩与主梁之间的相对位移， 使活动支座墩瞬间变为“ 固定支座墩” 。因此 ， 这 也是使各墩共 同承担纵桥 向的上部结构地震惯性 力的一种技术措施 。目前 ， 一些研究者已对 L U D 装置的有效性进行了探讨 ， 并 已有一些工程应用 的实例 7 。 1 2 隔震结构设计概念 “ 隔震结构” 的设计概念是指采用隔震装置， 将桥梁结构与可能引起破坏的地震地面运动隔离 开 。按隔震装置的隔震原理与特性 ， 可以将桥梁 隔震技术分为柔性 支承隔震技术、 滑动隔震技术 和滚动隔震技术等三类。 1 2 1柔性支承隔震技术 柔性支承隔震技术是指在桥梁的上、 下部结 构之间设置具有较低的水平侧向刚度的柔性支 座 ， 以延长结构 的 自振周期 ， 避开地震 的卓越周 期 ， 隔断地震能量传递给上部结构 ， 从而达到降低 结构设计地震力的目的。 目前常用的柔性支承隔 震装置主要为橡胶类 隔震支座 ， 包括叠层橡胶隔 震支座 、 铅芯橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支 座等， 它们都具有低水平侧 向刚度和高竖 向刚度 的特性， 能够满足桥梁的正常使用要求和隔震要 求。这类隔震装置的隔震概念明确 ， 构造简单 ， 技 术成熟， 所 以在实际工程中应用最广泛； 其局 限性 是竖 向承载力有 限， 但 目前 国内正在研发大吨位 的橡胶隔震支座 ， 最大竖向承载力可达 3 0 0 0 t 。 目前 ， 柔 性 支 承 隔 震 设 计 理论 已较 为 成 熟 。这种隔震技术 对 自振周期较 短的桥梁 隔 震效果明显 ， 具有 良好 的技术经济指标； 不足之处 是对竖向地震作用一般没有减震效果 ， 此外 ， 对长 周期地 震作用 可能存 在共 振 的危 险。然 而， 从 1 9 9 4年美国北岭地震和 1 9 9 5年 日本神户地震 中 隔震桥梁的表现看， 这两个问题的风险是比较小 的。因此 ， 它是 目前长大公路混凝 土连续梁桥首 选的隔震技术。 1 2 2滑动隔震技术 滑动隔震技术是指在桥梁 的上、 下部结构之 问设置滑动接触面类型的隔震支座 ， 由于滑动接 触面涂有低摩擦材料， 所以， 一方面可将上部结构 与下部结构的振动有效分离开 ， 减少地震能量对 上部结构的输入； 另一方 面又限制了上部结构传 递到下部结构的地震力( 理论上仅为摩擦力 ) 。 最早开发的滑动隔震支座为聚四氟乙烯滑板 支座 ， 但这类装置无 自复位能力 ， 且滑动性能离散 性大、 不易控制， 所以其常与其它能提供复位能力 的装置组合使用( 如聚四氟乙烯滑板支座与钢阻 尼器组合使用) 9 J 。为了解决传统的平面滑动 支座不能 自动复位的问题 ， Z a y a s 等人于 1 9 8 5年 研发了摩擦 摆 隔震支座 ( F r i c t i o n P e n d u l u m S y s t e rn， 简称 F P S ) 。F P S实际上是依靠重力复位 的摩擦摆滑动机构( 图 1 ) ， 它是将滑动支座与钟 摆原理相结合 的一种新 型隔震装置。经过 2 0多 年的发展， 目前已研发出 l 0余种摩擦摆隔震支 座 ， 并 已在桥梁工程中得到了实际应用【 8 - 1 4 。 块 图 1 F P S构造示意图 滑动隔震技术通 过滑动隔震支座实 现桥梁 上、 下部结构之间的相对滑动， 并通过摩擦阻力消 耗地震能量， 起到了阻尼( 库伦摩擦阻尼) 耗能的 作用。因此 ， 滑动隔震技术和摩擦耗能减震技术 往往联系在一起。滑动摩擦隔震体系的最大优点 是对输入地震动 的频谱特性不敏感 ， 而且支座竖 向承载力较大 ， 已成为一种具有较好发展前景的 桥梁隔震技术 。 1 2 3滚动隔震技术 滚动隔震技术是指在桥梁的上 、 下部结构之 间或基底设置滚球或滚轴支座 ， 将上、 下部结构之 第 3期 卓卫东等： 长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 3 1 5 问或结构与地基之间的振动隔离开来 。滚动隔震 是一种古老的隔震思想 ， 早 在 1 9 0 6年德 国人 J B e c h t o l d就提 出用滚球作 隔震基 础 ， 并 申请 了美 国专利 ； 1 9 2 4年 ， 日本人鬼头健三郎提 出球体隔 震方法 ， 并取得专利。 滚动隔震技术与滑 动隔震技术相 比， 两者隔 震原理相同。但是 ， 在滑动隔震体系中， 摩擦滑块 与滑动面是面接触 ， 且能在滑移过程 中耗散地震 能量； 而滚动隔震体系是线接触( 滚轴支座) 或点 接触( 滚球支座) ， 竖 向承载力受到较大 限制 ， 因 此 ， 在大跨径连续梁桥 中的应用存在困难。 上述几种隔震技术在降低桥梁结构设计地震 力的同时 ， 往往会增大上 、 下部结构之间的相对位 移。为了降低相对位移的幅值， 在实际工程应用 中常需要与耗能( 消能) 减震技术联合使用 ， 从而 形成桥梁减隔震技术 。表 1 对桥梁常用的隔震装 置进行了简要的总结 比较 。除了上述的隔震技术 外 ， 研究者还提 出了一些类似于建筑结构基础 隔 震的技术 ， 如基础摇摆隔震技术等 ， 并进行了极少 数的桥梁工程的应用尝试 J 。此外 ， 台湾大学 张国镇教授还提出了一种功能性支承系统的隔震 概念。 J ， 即采用普通橡胶支座 、 限位装置 以及 防 落梁构造或装置组合进行隔震 的思想 ， 并进行 了 模型试验研究。 表 1 桥梁常用隔震装置比较 隔震装置 技术特点 叠 层 橡 胶柔性支承隔震技术 ， 几乎无耗能能力， 支座 一般需与其它耗能减震装置联合使用 墼 橡 胶柔 蠹 痞 薹 凑 震 集 薷 又脞 优点 意 橡 囊 秦 署 磊 作， 其形状及构造与天然橡胶支座相同 荔 矣 需 摩 擦 摆 支 滑动隔震与摩擦耗能减震组合技术， 有 座 自复位能力 ， 竖向承载能力较大 滚 轴 (滚 滚动隔震技术， 隔震效果较理想 ， 但 支 球) 支座 座竖向承载能力较小 1 3 振动控制结构设计概念 “ 振动控制结构”的设 计概念是指采用 现代 控制理论 ， 在桥梁结构 的某些部位设置振动控制 装置 ， 以减小或抑制结构的地震反应 ， 提高结构的 抗震能力 。它综合 了控制论 、 计算机 、 结构振动理 论等多领域的高新技术 ， 可以有效地减轻桥 梁结 构在车辆 、 风 、 海浪 、 流冰、 地震等动力激励下的反 应 ， 有效地提高结构 的抗振能力和抗灾性能 ， 是 目 前最为先进和积极有效的设计概念 。桥梁 结构减震控制仅是其应用领域 中的一小部分。 按照控制措施 的实施 方式 ， 结构振 动控制可 分为被动控制 、 主动控制 、 半主动控制和混合控制 四类 j 。按是否需要外部能量输入( 不包括激 励源输入结构的能量 ) ， 可分为无源 控制和有源 控制两大类。其 中， 被动控制属于无源控制 ， 而主 动控制 、 半主动控制和混合控制都属于有源控制。 所谓主动控制 ， 是指利用外部能源 ， 在结构受激振 动过程 中， 对结构施加控制力或改变结构 的动力 特性 ， 从而迅速减小结构的振动反应 ， 达到保护结 构免遭损伤的目的。半主动控制是一种振动系统 的参数控制技术 ， 它根据系统输入 的变化和对系 统输 出的要求 ， 实时调节系统中某些环节的刚度 、 惯性以及阻尼特性 ， 从 而使系统获得优 良的振动 特性 ； 半主动控制具备主动控制的效果 ， 又只需很 少的能量 。混合控制主要是指将主动控制与被动 控制结合起来应用的控制方式 ， 以克服纯被动控 制和主动控制的应用局限 ， 在减小控制力的同时 ， 减小外 部控制设备的功率 、 体 积 、 能源 和维护费 用 ， 增加系统的可靠性 。 “ 振动控制结构 ” 是 当前结构抗震研 究 中最 为活跃的领域。从结构减震控制技术在桥梁工程 中的实际应用情况看 ， 最 常用的是被动控制 ( 或 无源控制) 技术 ， 包括隔震技术 、 被 动耗能( 消能) 减震技术以及减隔震组合技术等 ， 采用 L U D装置 减震的桥梁也可归于此类。主动控制技术理论上 是最有效 的， 但对于长大公路混凝土连续梁桥 ， 由 于需要消耗很大 的能源 ， 所 以不具有 现实意义 。 半主动控制技 术兼有被 动控制和 主动控 制的优 点 ， 目前 已有桥梁工程的应用实例 ， 但主要是用于 车振或风振控制。隔震与主动控制相结合的混合 控制技术是 目前研究 的一个热点 ， 美 国在混合控 制研究方面的大部分工作都集 中在该领域 ， 并取 得 了一些成果 ， 但在桥梁工程中尚无应用实例。 1 4长大连续梁桥抗震设计概念讨论 从能量角度来讨论桥梁结构的抗震设计概念 是十分有益的。从能量观点看 ， “ 抗震结构” 是依 靠桥 梁构件 自身 损坏来 耗散地 震能量 ， 打 的是 “ 消耗战”， 因此 ， 对长大公路混凝土连续梁桥 ， 传 统的“ 抗震结构” 往往难以满足设计要求 ， 而且在 大地震作用下可能遭受严重 破坏 ， 给震后修复造 成很大困难 。“ 隔震 结构 ” 往 往与被 动耗 能 ( 消 能) 减震技术联合使用 ， 一方面通过 隔震装置减 少地震地面运动输入 到结构 中的能量 ， 另一方 面 3 1 6 土木工程与管理学报 2 0 1 1 矩 又通过9 t q J I 的阻尼耗能机制消耗地震能量 ， 打的 是“ 防御战” ； 所以 ， 对长大公路混凝土连续梁桥 ， “ 隔震结构” 与“ 抗震结构” 相比， 往往具有更佳的 抗震性能和经济性能， 而且在大地震作用下破坏 主要集中在隔震装置上 ， 其它构件可不 出现损坏 或仅有轻微损坏 。采用主动控制、 半 主动控制或 混合控制的“ 振动控制结构” ， 通过外部输入的能 量 ， 以主动的方式来平衡或降低地震输入结构的 能量 ， 尽管其技术更为有效 ， 但 由于需要实时观测 结构反应 ， 并进行实时分析和反馈控制 ， 系统极为 复杂， 受制于经济和技术条件， 当前在长大公路混 凝土连续梁桥中推广应用还存在很大困难。 2 基于 实桥案例的抗震方案 比选 2 1 实桥案例概况 某跨海城市公路桥梁的主桥部分采用了预应 力混凝土连续梁桥设计方案 ， 桥跨 布置为 ( 4 3 1 + 4 5 0 3 ) m+ 5( 85 0 3 ) I T I + 3( 8 5 0 3 ) m+ 7 5 0 3 m+( 65 0 3+3 5 8 ) m， 全桥共 1 1 联 ， 总长 4 1 5 3 2 m。主梁采用等高度单箱单室箱 梁 ， 梁高 3 0 m， 顶板宽 1 5 5 1T I ， 底板宽 6 1 m( 图 2 ) ； 根据下部结构受力要求 ， 每联长度控制 在约 4 0 0 m以内。 ( a )低墩 ( a) 跨 中处 ( b)支 点处 图 2主梁典型截面 为满足桥梁 的建筑美学需要 ， 全桥桥墩采用 了低墩、 中墩和高墩三种类型( 图 3 ) ， 其中， 第 1 3联以及第 91 1联采用低墩型式 ， 第 4联和 第 8联 同时采用中墩和高墩型式， 第 5 7联采用 高墩型式。低墩墩高在 1 01 5 m之间， 采用桩柱 式桥墩形式， 自墩顶至下方 1 0 m处墩身为变截 面， 截面形状为椭圆形 ， 横桥 向尺寸从墩顶处的 6 5 m变为 3 2 m， 纵桥向尺寸均为 3 2 m； 距墩 顶 1 0 m以下墩 身为圆形截面 ， 直径均为 3 2 m； 下部桩基础为直径 3 5 m的钻孔桩 。中墩墩高在 1 5 2 5 m之间 ， 采用花瓶 式实体桥墩形式 ， 自墩 顶至下方 5 6 6 m处墩身为变截面 ， 截面形状为带 1 。 广 - 。 I y 。 6 ： In 一 l 一 I n 1 6 0 5 O I ) l 6 0 l l I I l l 8 2 0 1 I l 砒 憎 L I - 三 ! I ( b)中墩 图 3 桥墩立面 图 圆端的矩形 ， 横桥 向尺寸从墩顶处的 6 7 8 m变为 5 0 m， 纵桥 向尺寸均为 2 5 m； 距墩顶 5 6 6 1 1 以 下墩身为等截 面矩 形， 截 面尺寸为 2 5 m5 0 m； 下部桩基础为 直径 1 8 m 的钻孔 桩 ， 双排布 置。高墩墩高在 2 5 3 0 m之间， 采用花瓶式空心 桥墩形式 ， 自墩顶至下方 5 6 6 m处墩身同样采用 f 2 6 0 l 2 6 0 l - _ 一 ( c )高墩 变截面， 截面形状为带圆端的矩形 ， 横桥向尺寸从 墩顶处的 6 7 8 m变为 5 0 m， 纵桥向尺寸均为3 0 m； 下部桩基础为直径 2 0 m的钻孔桩， 双排布置。 全桥上部主梁均采用 C 5 0混凝土， 桥墩均采 用 C 4 0混凝 土， 钻孔桩 为水下 C 3 5混 凝土 ， 承 台 为 C 2 5混凝土。 第 3期 卓卫东等：长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 3 1 7 2 2抗震设计方案及有限元分析模型 2 2 1 实桥案例抗震设计方案的考虑 本文的实桥案例为一级公路特大桥 ， 兼有城 市桥梁功能。桥梁总长 4 1 5 3 2 m， 分为 1 1 联 ， 各 联内基 本采用等跨连续布置 ， 且 墩高大体相 同。 根据该桥的场地地震安全性评价报告 ， 桥址场地 类别为 类 ， 场地土特征周期为 0 10 8 S 。从 该桥的结构特点和场地土特性分析 ， 该 桥适宜采 用“ 隔震结构” 。根据上文的讨论 ， 对长大公路混 凝土连续 梁桥 ， 目前 仅适合 采用 “ 抗 震结构 ” 或 “ 隔震结构” 概念进行抗震设计 。因此 ， 本文针对 实桥案例 ， 仅进行如下的“ 抗震结构 ” 和“ 隔震结 构” 设计方案的技术比选 。 ( 1 ) “ 抗震结构” 方案 该方案 采用传 统 的“ 抗 震结 构” 设 计概念 。 根据桥梁的正常使用要求 ， 对一联 8跨的结构 ， 在 其中间的 3个桥墩上设置纵桥 向固定 支座 ， 其余 桥墩上均布置活动支座 ； 对一联 5跨和 7跨的结 构 ， 在其 中问的两个墩上设置纵桥 向固定支座 ， 其 余桥墩上均布置活动支座。为限制上部结构横桥 向的地震位移 ， 在各墩上均设置横桥 向的抗震挡 块 。 在该方案 中， 上部结构纵桥 向的水平地震力 主要 由固定支座墩及其下部桩基础承担 ， 横桥 向 的水平地震 力则 由全桥各墩 ( 台) 及其下部基础 共同承担。 ( 2 ) “ 隔震结构” 方案 该方案 中， 全桥各墩上均设 置隔震支座。通 过隔震支座 ， 隔断地震能量传递给上部结构， 以达 到降低结构设计地震力的目的。该方案的另一个 特点是 ， 上部结构纵桥 向和横桥 向的水平地震力 均 由全桥各墩 ( 台) 及其下部基础共同承担。 在“ 隔震结构” 方案设计 中， 一个 主要的内容 是选定隔震支座 的类型及其 设计参 数 。选择 哪种类型的隔震支座 ， 一般根据隔震支座的具体 力学特性及实际要求来定 ， 同时也应参考已建成 的隔震桥梁 的经验。据资料统计 ， 国 内外 已建成 的隔震桥梁 中， 铅芯橡胶隔震支座是使用最广的。 在 日本 ， 一些隔震桥梁还使用高阻尼橡胶隔震支 座 ； 在意大利 ， 则主要采用滑板支座与耗能装置组 合 的技术。从国内情况看 ， 橡胶类 隔震支座和滑 板支座都 已有成熟的产品 ， 性能可靠 ； 而摩擦摆隔 震支座 国内尚处于研发 阶段。结合 国内实 际情 况 ， 本文建议在条件允许的情况下 ， 优先使用铅芯 橡胶隔震支座， 因为这类隔震支座可同时提供较 大的初始水平刚度 ( 屈服前 刚度 ) 以及地震作用 下较低的的水平刚度( 屈服后 刚度 ) 和耗能 ， 满足 桥梁正常使用和抗震性能的要求 ， 且 已有相关的 技术规程 。 从本文的实桥案例看 ， 该桥单孔最大跨径为 5 0 3 m， 桥宽 1 5 5 m， 铅芯橡胶 支座 的竖 向承载 力能够满足要求 。因此 ， 选择铅 芯橡胶支座作为 “ 隔震结构” 方案 的隔震 装置。在选定 隔震 支座 类型后 ， 还需要初 拟隔震支座 的设计参数 。对于 铅芯橡胶隔震支座 ， 包括初拟支座平面尺寸 、 单层 橡胶厚度及橡胶层总厚度 、 铅芯直径等。通常， 铅 芯橡胶隔震支座 的平面尺寸 由支座处的最大竖向 荷载决定 ； 橡胶单层厚度 由所需 的竖 向刚度和转 动能力决定 ； 橡胶层总厚度 由设计地震作用下所 需要延长 的周期 、 变形决定 ； 铅 芯直径 由滞 回阻 尼 、 风力 、 制动力 等因素决定 J 。目前 ， 主要有两 种方法来完成该设计过程 ： 其一是根据 已有 的工 程经验 ， 初拟铅芯橡胶隔震支座的设计参数， 然后 按初拟参 数 ， 采用 反应 谱法进行 隔震结构 在 E 1 地震作用下的地震反应分析 和抗震验算 ， 并与预 期的结构抗震性能要求进行 比较 ， 判断初拟的设 计参数是否可行 ， 如不满足 ， 则修改初拟参数， 重 新进行分析和验算 ， 直到满足设计要求为止 ， 这是 一 个迭代 式 的设 计过程 。其 二是 结合 “ 抗 震结 构” 的动力特性 ， 初步设定 “ 隔震结构” 一个较为 合理的基本周期 ( 通 常宜为抗震结构基本周期 的 1 52 0倍 以上) 和相应 的等效阻尼比( 通常可 选为 1 0 2 0 ) ， 然 后根据理论公式计算得到 铅芯橡胶隔震支座 的初步设计参数 ， 再 进行地震 反应分析和抗震验算 ， 判别是否满足设计要求 ， 如 不满足 ， 则需要对一些参数做适 当调整。 在长大公路混凝土连续梁桥抗震方案 比选或 初步设计阶段 ， 通常 只需初拟铅芯橡胶 隔震支座 的平面尺寸 、 等效水平刚度和等效阻尼比。为此 ， 本文建议采用 以下的方法初拟支座的设计参数 ： 根据设计支反力 ， 计算支座 的平面尺寸 ； 根据长大公路混凝土连续梁桥上部结构纵 桥 向的容许水平位移值( 通常由伸缩缝构造和防 落梁长度确定) ， 粗估支座在 E 2地震作用下的水 平位移设计值 “ ； 利用设计位移反应谱 ， 初估 隔震结构的基 本周期 和等效阻尼 比卢 设计位移反应谱可 利用设计加速度反应谱 由下式换算得到 ： D： ( 1 ) 4 、 其中， D、 S分别为设计弹性位移反应谱和设计加 速度反应谱 ， 为 自振周期。 3 1 8 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 按以下公式计算单个铅芯橡胶隔震支座 的等效水平刚度K 。 ： K ： 4 _- G s p ( 2 a2 a ) = = 一 ( ) g = + n K e ( 2 b ) p l 、 Ki t p = 等 上式 中， 为一联结构纵桥 向的总组合抗推刚度 ； G , p 为一联上部结构 的 e2 , 重 力 ； g为重力加 速度； K ； 和 K 分别为第 i 号墩的墩顶纵桥向抗推刚度 和组合抗推刚度； , 为相应 于一联上部结构 的桥 墩个数 ； n 为每个桥墩上设置 的隔震支座数量 ， 为桥台上设置的隔震支座总数量。 按以下公式近似计算单个铅芯橡胶隔震支 座的等效阻尼 比 ： = 3 一 0 0 5 ( 3 ) 以上方法用于初拟铅芯橡胶隔震支座纵桥 向 的设计参数 ， 其横桥 向的设计参数可采用 同样的 方法计算。需要指出的是， 公式( 2 ) 仅适用于桥 墩质量影响较小、 可忽略的情况 ； 当桥墩质量影响 较大时 ， 纵桥向可按全联 、 横桥 向可按单墩简化为 两个质点的计算模型 ， 按下 式计算单个铅芯橡胶 隔震支座的等效水平刚度K 山 而 i G lp K + ( 十 ) G 蕊) K J： ( n n 】+n 2 ) K ， = K j ( 4 ) I = l 上式中， 为一联上部结构所对应的全部隔震支 座抗推刚度之和 ； K 为一联上部结构所对应的桥 墩抗推刚度之和； G ,p 为一联上部结构所对应的各 桥墩在隔震支座顶面处的换算质点重力之和。 2 。 2 2 有限元分析模型的建立 基于实桥案例 ， 利用 S A P 2 0 0 0软件 ， 分别建 立“ 抗震结构” 和 “ 隔震结构” 的全桥有限元分析 模型( 图4 ) 。在两个有 限元分析模 型中， 均采用 空间梁单元模拟全桥主梁和桥墩 ， 采用集 中土弹 簧模拟桩基础及 周围土层 ； 采用连接单元来模拟 “ 抗震结构” 中的固定支座和活动支座 以及“ 隔震 结构” 中的铅芯橡 胶隔震支座。在模拟铅芯橡胶 隔震支座时 ， 采用等效线性化模型。为此 ， 需要计 算“ 隔震结构 ” 中各墩设 置的铅 芯橡胶 隔震 支座 的等效水平刚度和等效阻尼比。 图 4 全桥有限兀分析模型( 局部 ) 在本文实桥案例的“ 隔震结构” 方案 中， 重点 是纵桥 向隔震。根据该桥 的构造 特点 ， 假定 E 2 地震作用下各铅芯橡胶隔震支座纵桥向的水平位 移设计值 “ 为 1 5 c m， 按上述方法 ， 初拟了“ 隔震 结构” 方案 中所采用的铅芯橡胶隔震支座的设计 参数 ， 具体如表 2所列 。表 2中， 铅芯橡胶隔震支 座选用圆形截面 ， 其竖向承载力设计值取为设计 支反力的 1 5倍 ， 压应力设计值取为 1 2 MP a 】 。 全桥各墩台上均设置 2个铅芯橡胶隔震支座 ， 各 支座纵桥向的等效水平刚度和等效阻尼比均按本 文建议的方法计算。 表 2 铅芯橡胶隔震支座初拟设计参数 2 3 有限元数值分析结果 根据图4所示 的全桥有限元分析模 型， 计算 了“ 抗震结构 ” 和“ 隔震结构” 的动力特性 。表 3 列出了两种方案各联结构的纵桥向基本周期及其 周期 比( “ 隔震结构” 与“ 抗震结构” 的基本周期之 比) ， 从表 中可见 ， 与“ 抗震结构” 相比较 ， “ 隔震结 构” 各联结构 的纵桥 向基本周期都 明显延长 了， 尤其是各低墩联； 除了高墩联( 第 5 7 联) 外， 其 余各联“ 隔震结构” 的基本周期均为 “ 抗震结构” 的 1 5倍 以上 ， 总体上满足隔震设计概念的要求。 表 3 纵桥向基本周期比较 第 3期 卓卫东等： 长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 。3 1 9 根据图 4所示 的全桥有限元分析模型 ， 采用 弹性反应谱 方法计算 了 E 1地震作用下 “ 抗震结 构” 和“ 隔震结构” 的地震反应 。图 5和图 6分别 绘出了纵桥 向和横桥 向水平地震作 用下 ， “ 抗震 结构” 和“ 隔震结构” 各墩底的最大地震内力。 Z 称 摧 翻 足 塔 吕 静 l 啦 f 嗣 尽 颦 墩 号 ( a )墩底纵桥向最大地震剪力 l l 0 20 j U 4 0 5 0 6 0 7 0 u 墩号 ( b)墩底 横桥 向最大地震 弯矩 图 5 纵桥向地震作用下地震内力 从 图 5和图 6可见 ， “ 抗震结构” 各联的固定 支座墩与活动支座墩相 比， 承担 了高得多 的纵桥 向的水平地震力 ， 而且结构越刚， 承担的比例也越 大( 如第 1 1联 ) ； 横桥 向的水平地震力 则基本上 由各墩共同承担。“ 隔震 结构” 各联 的纵桥 向和 横桥向的水平地震力则基本上 由各墩平均承担 。 与“ 抗震结构” 相比， “ 隔震结构” 在纵桥向水平地 震作用下， 对应为“ 抗震结构” 中的固定支座墩的 最大地震 内力均显著减小 ， 而活动支座墩的最 大 地震 内力则有增有减 ； 在横桥向水平地震作用下 ， “ 隔震结构” 全桥所有桥墩的最大地震 内力都显 著减小。 根据计算结果 ， 表 4列出了“ 抗震结构” 各联 中固定支座墩所承担 的纵 桥 向水平地 震力的 比 例。从表中可见， 各低墩联 的固定支座墩所分担 的比例平均达到 7 8 ； 各高墩联 的固定支座墩所 分担的比例平均为4 9 ； 对同时采用中墩和高墩 的各联 ， 固定 支 座 墩 所 分 担 的 比例 平 均 达 到 阜 至 囊 钟 雠 翻 足 妪 悉 墩 号 ( a )墩底横桥向最大地震剪力 墩号 ( b)墩底纵桥向最大地震弯矩 图 6 横桥 向地震作用下地震 内力 6 3 。 表 4 “ 抗震 结构 ” 固定支座墩承担的纵桥 向地震剪 力 纵桥向地震剪力 结构类型 全部桥墩 固定支座墩 固定支座墩 承担总量 M N 分担量 MN 分担比例 表 5 两种方案 下部 结构 总地震 内力比较 注 ： 表 中 Q 、 Q ， 、 肘 和 ，分别代表纵桥向地震 剪力 、 横桥向 地震剪力 、 横 桥向地震弯矩 和纵桥 向地震弯矩 ， 下 同。 表 5列 出了“ 抗震结构 ” 与 “ 隔震结构” 两种 方案下部结构所承受 的总地震 内力 的 比较 ； 表 6 给出了“ 隔震 结构 ” 相对“ 抗震结构” 下部结构所 承受的总地震内力的下降比例 。从表 5和表 6可 见 ， 与“ 抗震结构” 相 比较 ， “ 隔震结构 ” 的下部结 构所承受的总地震内力显著减小； 其 中， 各低墩联 下部结构的纵桥 向和横桥 向的总地震内力平均降 们 加 如 加 O 3 2 0 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 低了 6 2 和 7 1 ； 各高墩联下部结构的纵桥 向和 横桥向的总地震 内力平均降低了 5 0 和 5 7 ； 对 同时采用中、 高墩 的各联 ， 下部结构纵桥 向和横桥 向的总地震 内力平均降低了 5 7 和 6 6 。 表 6 “ 隔震结构” 下部 结构 总地震 内力下 降比例 童 ， 一 一 1 羹 一-：1 一 V 褂 龌 静 匠 蜒 O 0 5 O O 5 0 O 0 5 0 O 0 f I 删 八。 ! Ul o L 2 3 0 4 0 5 0 6 0 墩号 ( a)纵桥向水平地震作用 8 0 6 0 4 0 2 O O 墩 号 ( b)横桥向水平地震作用 图 7 隔震结构各墩隔震率 图7绘出了纵桥 向和横桥向水平地震作用下 “ 隔震结构” 各墩 的隔震率。从 图 7可 以发现 ， 其 表现出以下特点 ： ( 1 ) 在纵桥 向水平地震作用下 ， 低墩联各墩 的隔震率有正有负； 分析发现， 对应为“ 抗震结 构” 中的活动支座墩 的隔震率均为 负( 表明其在 “ 隔震结构” 中发挥 了分担纵桥 向的水平地震力 的作用 ) ， 而固定支座墩的隔震率均为正 ， 且结构 越刚 ， 隔震率越高 。 ( 2 ) 在纵桥向水平地震作用下， 高墩联各墩 的隔震率均为正 ， 表明“ 隔震结构” 也可用于高墩 连续梁桥。 ( 3 ) 对同时采用中、 高墩的各联 ， 在纵桥 向水 平地震作用下 ， 各墩的隔震率同样有正有负； 分析 发现 ， 其与低墩 联的区别是 ： 对应为“ 抗震结构 ” 中的活动支座墩的隔震率有正有负， 其中， 隔震率 为负的墩均为中墩， 隔震率为正的墩均为高墩 ； 相 同点是固定支座墩的隔震率均为正。 ( 4 ) 在横桥 向水 平地震作用 下， 全桥各联所 有桥墩的隔震率均为正 ， 且相差不大。 根据计算结果 ， 表 7列 出了“ 隔震结构” 对各 地震内力分量的最大隔震率。从表中可见 ， 铅芯 橡胶隔震支座尤其适用 于采用低墩 的中、 小跨度 连续梁桥。 表 7 “ 隔震结构” 的最大 隔震 率 2 4抗震方案比选结论 从上文针对实桥案例 开展的“ 抗震结构” 与 “ 隔震结构” 两种方案的技术 比选 ， 可 以得到以下 结论 ： ( 1 ) 对长大公路 混凝土连续 梁桥 ， “ 抗震 结 构” 方案中， 纵桥 向水平地震力主要 由少量的固 定支座墩承担， 因此 ， 可能难以满足桥梁抗震性能 的要求 。 ( 2 ) “ 隔震结构” 方案 中， 各墩承担的水平地 震力基本均匀一致， 能充分发挥各墩的抗震能力。 与“ 抗震结构” 相 比， 全桥下部结构所承受的总地 震内力显著减小 。 ( 3 ) 对采用 高墩 的长大公 路混凝 土连续 梁 桥， 可以采用“ 隔震结构” 方案 ， 通过隔震支座使 各墩基本均匀地承担水平地震力 。 ( 4 ) 从 国内 目前的实际情况看， 长大公路混 凝土连续梁桥的隔震装置宜优先使用铅芯橡胶隔 震 支座 。 3 结 论 ( 1 ) 长 大公路 混凝 土连 续梁 桥有 “ 抗 震结 构” 、 “ 隔震结构” 和“ 振动控制结构” 三种基本的 抗震设计概念 ， 前两种当前应用最多 ， 后一种推广 应用方面仍存在困难 。 ( 2 ) 对采用“ 抗震结构” 方案 的长大公路混凝 土连续梁桥， 其纵桥向水平地震力主要由少量的 固定支座墩承担 ， 因此， 可能难以满足桥梁抗震性 能的要求。 ( 3 ) 基于实桥案例 的方案技术 比选表 明， 与 一 褂雠窿 霍蜒一 一瓣蝼龌 暹 第 3期 卓卫东等：长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 3 2 l “ 抗震结构” 相比， “ 隔震结构” 下部结构所承受 的 纵桥向和横桥 向的地震 内力可降低 5 6 和 6 5 以上 。 ( 4 ) 对采用“ 隔震结构” 方案 的长大公路混凝 土连续梁桥 ， 隔震装置宜优先选用铅 芯橡胶 隔震 支座。在方案或初步设计阶段 ， 可采用本文建议 的方法初拟铅芯橡胶隔震支座的设计参数 。 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 参考文献 范立础 ，卓卫 东桥梁 延性抗 震设 计 M 北 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 1 郭磊 ， 李建中，范立础大跨度连续梁桥减隔震 设计研究 J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 3 ) ： 8 1 8 5 王常峰，陈兴冲，朱东生活动支座摩擦力对桥梁 抗 震性 能 的 影 响 参 数 分 析 J 世 界 地 震 工 程 ， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 4 ) ： 8 2 8 7 陈永祁， 耿瑞琦，马良抬桥梁用液体黏滞阻尼器 的减振设计 和类 型选 择 J 土木 工程 学报 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 5 5 - 6 1 王磊，刘寒冰，吴斌暄， 等新型地震结构保护系 统的大跨径桥梁抗震分析 J 哈尔滨工业大学学 报 ， 2 0 0 4 ， 3 6 (1 2 ) ： 1 6 6 5 1 6 6 7 王志强 ，葛继