减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析

减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析

陈亚莉

中交第二公路勘察设计研究院有限公司  湖北武汉430056

【摘要】本文针对减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析进行了探讨，减隔震桥梁设计的关键是在桥墩与桥面之间设置减隔震装置,利用这些装置的滞回特性、能量消耗和位移容许等特点,降低地震作用下桥面的加速度响应,从而减小惯性力,提高桥梁抗震性能。抗震性能分析则需要建立可靠的桥梁结构分析模型,采用适当的线性分析和非线性分析,对构件的承载力和变形能力进行评估,确保关键构件具备足够的抗震性能。

【关键词】减隔震桥梁；设计方法；抗震性能分析

1 减隔震桥梁设计方法

1.1减隔震装置选型与布置

在减隔震桥梁设计中,合理选择和布置减隔震装置是确保桥梁抗震性能和使用寿命的关键。常用的减隔震装置包括铅芯橡胶支座、滑移支座和阻尼器等。铅芯橡胶支座由薄钢板和橡胶交替叠合而成,中心设有铅芯,在地震作用下铅芯发生屈服变形,耗散地震能量,同时提供水平刚度和阻尼,可有效降低上部结构地震响应,广泛应用于各类桥梁。滑移支座由上下滑板和滑动材料组成,地震时允许桥梁上部结构相对下部结构产生位移,将地震力传递到指定位置如桥台,避免墩柱损坏,造价低、施工方便,适用于中小跨径桥梁。阻尼器利用粘滞流体、金属屈服等原理,通过相对运动耗散地震能量,可设置于桥梁纵横向,与支座配合减隔震。粘滞阻尼器广泛应用于大跨桥梁,金属阻尼器多见于中小跨桥。减隔震装置的布置需综合考虑桥型、跨径、地形、地质等因素,并通过计算分析确定参数。一般在桥梁纵向每个墩柱顶设置支座,横向每隔2-4个墩设置阻尼器。合理布置减隔震装置,协调各部位刚度,可优化桥梁抗震体系,提高整体抗震能力,从而保证桥梁在地震作用下的安全性和可靠性。

1.2 减隔震系统建模与优化 

减隔震系统的建模与优化是确保桥梁在地震作用下具有良好减振效果的关键环节。首先需要建立准确的数学模型,将整个桥梁结构简化为多自由度系统,包括上部结构、支座和下部结构。对于不同类型的减隔震装置,需采用相应的本构模型描述其非线性力学行为,如对铅芯橡胶支座采用双曲线模型,对滑移支座建立考虑滑移阻力和位移约束的模型,对阻尼器根据其类型(粘滞阻尼器、金属阻尼器等)建立相应的力学模型。将各部分模型组合,即可建立整个减隔震系统的运动方程。在此基础上,需对减隔震系统进行参数优化,以最小化上部结构的位移响应为目标函数,优化变量包括支座刚度、阻尼器阻尼系数、滑移支座位移容量等,约束条件包括避免共振、满足位移要求、保证足够刚度等。可采用遗传算法、粒子群优化等优化算法求解最优参数组合。通过建模分析和参数优化,可协调各减隔震装置的力学特性,使整个系统在地震作用下具有最佳减振效果,从而提高桥梁的抗震性能和安全性。同时,优化过程还需考虑经济性、施工便利性等实际因素,以确保方案的可行性和合理性。减隔震系统的建模与优化是一个系统工程,需要综合考虑各种因素,才能为桥梁设计提供最佳减隔震方案[1]。

1.3 结构抗震设防

在减隔震桥梁设计中,除了合理选择和布置减隔震装置外,还需重视桥墩、盖梁等结构部件的抗震设防,以确保整个桥梁结构在地震作用下的安全性。对于桥墩,需采用适当的墩型如中实墩、箱式墩等,提高抗剪、抗弯承载力;合理配置箍筋,增强混凝土约束,提高延性和耗能能力;设置塑性铰区,允许在此区域发生可控损伤,避免脆性破坏;采用耐震连接,确保墩身与盖梁、基础的可靠连接。对于盖梁,需采用箱型或多室盖梁,提高抗剪、抗扭承载力;合理配筋,确保盖梁具有足够延性,避免脆性破坏;设置支座区加强筋,增强支座区域的承载能力;采用耐震连接,确保盖梁与墩身、盖梁之间的可靠连接。此外,还需重视桥台、伸缩缝、防撞设防等其他部位的抗震设计,如采用适当的桥台型式确保稳定性,合理设置伸缩缝宽度避免碰撞,在易受撞击部位设置防撞装置等。通过上述桥墩、盖梁及其他部位的抗震设防措施,可提高减隔震桥梁各结构部件的抗震能力,与减隔震装置协同工作,形成完整的抗震体系,从而确保减隔震桥梁在地震作用下的整体安全性和可靠性,发挥减隔震系统的最佳减振效果。因此,结构抗震设防是减隔震桥梁设计不可或缺的重要环节。

2 抗震性能分析

2.1 结构建模

建立可靠的桥梁结构分析模型是开展抗震性能分析的基础和前提,模型的准确性直接影响分析结果的可靠性。需要基于详细的调查资料,依据实测的材料强度、截面尺寸、配筋情况等数据进行建模。收集桥梁设计图纸,包括总平面布置图、构件设计图等,现场勘察测量实际尺寸,检查构件状况,发现可能存在的缺陷,对关键部位取芯测试混凝土强度、钢筋强度等材料性能。根据设计图纸和现场实测数据,利用有限元建模软件建立准确的几何模型,生成节点和单元模拟各构件实际尺寸和形状,对复杂构件采用高阶单元或体单元进行精细化建模。依据材料试验结果确定混凝土、钢筋等材料的本构关系模型,混凝土常采用Kent-Park模型、Mander模型等考虑约束效应,钢筋可采用双线性模型或考虑应力-应变关系的模型。将构件实际截面尺寸、配筋情况赋予相应单元或构件,对桥墩、盖梁等关键构件精细化建模考虑箍筋、加强筋等细节,对支座、阻尼器等减隔震装置根据类型赋予相应本构模型。如此建立的结构分析模型能较真实反映桥梁实际情况,为后续抗震性能分析提供可靠基础数据和计算模型。同时需结合工程经验,对可能存在的缺陷和不确定性进行合理简化假定,以保证模型计算效率

[2]。

2.2 分析方法选择

在评估减隔震桥梁抗震性能时,选择合适的分析方法至关重要,这直接关系到对构件承载力和变形能力的准确计算和评价。常用方法包括线性分析和非线性分析两大类。线性分析方法主要有反应谱分析和线性时程分析,前者基于反应谱理论计算结构在地震作用下的最大响应,后者将地震动直接输入结构模型计算线性时程响应,这两种方法计算简单高效,但无法真实反映结构的非线性行为,主要用于初步分析和常规设计。非线性分析方法则包括静力非线性分析和非线性时程分析,前者通过施加等效静力荷载计算结构的非线性响应,后者将地震动输入考虑了材料非线性、几何非线性等因素的结构模型,直接计算结构在地震作用下的非线性时程响应,是公认的最精确的抗震分析方法,能准确评估构件的承载力和变形能力,但对计算模型要求高、计算量大,主要用于重点工程评估。在实际工程中,需根据桥梁的重要性、结构复杂程度、可用计算资源等因素,合理选择分析方法。通常采用先简单后复杂、先线性后非线性的策略,先用线性分析进行初步评估,再对重点部位采用非线性分析深入评估。不同方法可相互验证和补充,通过综合运用,可全面评价减隔震桥梁的抗震性能,为抗震设计和加固提供可靠依据。

2.3 分析方法确定原则

在减隔震桥梁抗震性能分析中,分析方法的确定原则需要综合考虑桥梁的规则性和预期的抗震性能目标等因素。对于规则性较好且预期抗震性能目标为无损伤或轻微损伤的桥梁,可采用线性分析方法如反应谱分析或线性时程分析,此时结构响应基本处于线性范围,线性分析能较准确预测响应,且计算效率高、操作简便。然而,对于非规则桥梁或预期抗震性能目标为中等损伤及以上的情况,就必须采用非线性分析方法如静力非线性分析或非线性时程分析。非规则桥梁容易产生扭转响应、不均匀应力分布等复杂非线性效应,而中等损伤及以上意味着结构将发生材料屈服、塑性铰形成等非线性行为,此时非线性分析更能真实模拟实际响应。虽然非线性分析计算量大、建模要求高,但它能更准确评估结构承载力和变形能力,对关键构件如桥墩、盖梁等的抗震设计提供可靠依据。因此,需根据桥梁规则性和预期抗震性能目标,合理选择线性或非线性分析方法。对规则桥梁且性能目标为无损伤或轻微损伤时可采用线性分析,对非规则桥梁或性能目标为中等损伤及以上时则应采用非线性分析,以确保分析结果准确可靠,为减隔震桥梁抗震设计提供可靠依据。

3结语

减隔震桥梁设计需要将减隔震理论与桥梁结构设计有机结合,通过合理布置减隔震装置,优化减隔震系统参数,从而达到提高桥梁抗震性能的目的。同时,还需要对桥梁结构进行严格的抗震性能分析,确保关键构件具备足够的承载力和变形能力,满足预期的抗震性能目标。减隔震技术的发展和应用,有助于提高桥梁抗震可靠性,保护人民生命财产安全。

【参考文献】

[1]候耀华.减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析[J].大众标准化,2023(15):111-113.

[2]陈志兴,杜斌斌.减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析[J].交通世界,2021(10):94-95.