日本抗规8.docx

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日本抗规8

第8章减震设计

8.1一般规定

（1）是否采用减震设计必须从平时和地震时两方面来研究增大桥梁的固有周期及能量吸收性能的效果之后进行判断。

特别是在以下条件，原则上不采用减震设计。

1）当基础周围的土层相当于7.6节规定的土质常数在抗震设计上定为零的土层时

2）下部结构的柔性大、原来固有周期长的桥

3）基础周围的地基软、使桥长周期化有可能引起地基与桥的共振时

4）支座产生负反力时

（2）进行减震设计时，以因能量吸收性能的提高而使衰减性得到提高和地震力的分散为重点，不谋求过度的长周期化。

（3）决定采用减震设计时的桥的固有周期，必须要做到上部结构地震时位移的增大不会给桥的性能带来坏影响。

另外，采用减震支座时的桥的固有周期原则上定为不采用减震支座的桥的固有周期的2倍以上。

（4）要选择以简单的结构就能发挥作用的减震支座，同时要在力学行为明确的范围使用。

减震支座要具有能通过地脚螺栓结实地把上下部结构连接起来，同时又要有能更换的结构。

（5）采用减震设计时，必须在桥台、桥墩等主要结构物与梁之间设置空隙以能允许设计上假定的位移。

解说：

（1）在以前的抗震设计篇（平成2年2月）中，作为“期待减低地震影响的结构”，规定了使上部结构的惯性力分散的结构与期待惯性力减低的结构这两种。

在此，示出采用期待以减震支座来减低惯性力的结构时的抗震设计法及结构细节。

采用减震设计的结构物的抗震设计，因定义方法不同包含的范围很广，在此以同时满足以下3个条件的情况为对象。

1）对于某个一定以上的地震力，以增长固有周期的同时减低地震力为目的，使用隔震器（isolator）柔性地支撑桥。

2）仅仅长周期化，地震时桥产生的位移就会过大，因此要合并使用阻尼器来减低位移，直至使用上不成问题。

3）为使桥不产生因风、制动荷载等有害的振动而具有抵抗力，要使隔震器或阻尼器（damper）具有必要的刚性。

此处，所谓隔震器，是既支撑上部结构的重量，同时又在横向柔性地支撑上部结构的装置，主要使用多层橡胶支座。

此外，所谓阻尼器，是根据滞变衰减、粘性衰减等原理来吸收能量，提高桥的衰减性能的装置。

在此，以采用满足上述3个条件的隔震器与阻尼器为一体的橡胶系的减震支座时的设计法为对象。

这种支座有实际使用实例在增加的铅芯多层橡胶支座、高阻尼多层橡胶支座等。

上述以外，还有活动控制（activecontrol）、半活动控制等各种各样的新技术正在开发，关于这些，将在第14章中论及。

采用减震支座能提高桥的变形性能及能量吸收性能，同时还能促进多跨连续化和无接缝化。

从这点来看，在新设梁的路段，最好与上部结构的连续化一起采用减震设计。

根据桥的结构条件、基础周围的地基条件等，有适合减震设计的情况也有不适合的情况。

基础周围地基的地震时稳定性会给桥的抗震性带来很大影响。

减震设计是使上部结构与下部结构间或者基础与桥墩墩身间柔性地结合，因两者间容易产生相对位移，以此谋求减低作用于桥的地震力。

为此，在预测到基础周围地基在地震时会变成不稳定这一情况下，要考虑到有时不能得到设计上设想的减震效果，因此不采用减震设计。

基础周围地基的地震时稳定性成为问题的情况有第7章规定的砂质土层的液态化、流动化和极软粘性土层以及粉质土层等。

根据上述理由，规定在有7.6节中规定的土质常数在抗震设计上为零的土层时不采用减震设计。

另外，对于因高桥墩等特殊形式、下部结构的挠性大、固有周期长的桥，本来下部结构在地震时的位移就容易变大、且因长周期化造成的惯性力的减低效果也小，不能采用减震设计。

在此，所谓固有周期长的桥，是指一般假定支撑条件完全固定的地震时保有水平抗力法中采用的固有周期在1.0秒以上的桥。

而且，采用减震设计必须十分注意不要引起地基与桥的共振。

再者，在减震支座处于受到负反力的状态受到水平方向的地震力时，支座的断裂强度、能量吸收性能等动态特性还未完全确认，因此在支座产生负反力时不能采用减震设计。

在此，所谓产生负反力的情况，定为考虑死载时支座部的反力为负的情况。

条文规定了不能采用减震设计的情况，适合减震设计的桥的条件一般为下述情况。

1）地基坚固、基础周围地基在地震时稳定

2）下部结构的刚性高、桥的固有周期短

3）多跨连续桥

这些都是通过桥的长周期化容易期待减低作用于桥的地震力的条件。

多跨连续桥适合减震设计，其原因在于，虽然由于谋图多跨连续化，由温度变化等引起的梁的位移就变大，但减震支座能吸收这种梁的位移，同时能够比采用一般的橡胶支座更加减低梁所产生的位移。

相反，对简支梁桥减震设计的效果一般不明显。

（2）减震设计是谋求通过固有周期的增大和衰减性能的提高来减低惯性力。

在国外，也有以相当短的固有周期来减低设计地震力的例子，但在我国地基条件一般为软质，而且发生长周期地震动的成分占优的规模大的地震等条件，对用于地震时保有水平抗力法的类型I的设计水平地震力系数，反比于固有周期的2/3次方、开始下降的固有周期，对I类地基定为1.4秒，II类地基1.6秒，III类地基2.0秒。

因此，不取比这种固有周期更长的固有周期就不能期望通过长周期化来减低惯性力。

不过，要是取更长的固有周期，虽然上部结构对下部结构的惯性力减少，但上部结构的地震时位移增大。

因此，试图通过长周期化来减低惯性力对III类地基等来说有时是困难的，此时，减震设计的根本是提高衰减性能。

提高衰减性能之外谋求由长周期化来减低惯性力时，须充分注意要把上部结构的地震时位移的增大控制在设计上容许的范围之内，切不可过度长周期化。

（3）桥的固有周期，采用减震支座时原则上取不采用减震支座时的2倍以上。

这是因为，如果上部结构的固有周期与下部结构的固有周期有这种程度的差异，上部结构与下部结构的耦联振动的影响就小，桥产生的位移主要集中于减震支座。

相反，采用减震支座时的桥的固有周期比不采用减震支座时的桥的固有周期的2倍更短，变形就有可能不集中于减震支座而集中于下部结构。

如果这样，减震支座就不能有效地发挥作用，因此设计上必须避免这种情况发生。

在此，所谓不采用减震支座时的桥的固有周期是把所有支座都看作固定支座时的固有周期。

采用减震支座时的固有周期定为2倍以上是对由地震时保有水平抗力法进行的抗震设计而言，对由地震系数法进行的抗震设计可以不必满足这一条件。

（4）下面示出减震支座的结构及选择标准。

减震支座必须满足以下条件。

1）结构简单、能完全发挥作用，而且要在力学行为明确的范围使用。

2）在地震动的持续期内稳定地发挥作用。

3）减震支座在材质、机构等方面能长期稳定使用。

在长期使用期间，考虑到减震支座也会发生劣化、损伤，在这种情况发生时，减震支座有必要具有可用与设计时有同等特性者替换的结构。

4）减震支座与梁、下部结构物之间的地震力能通过地脚螺栓等确实地传递。

（5）因为长周期化增大上部结构的地震时位移，桥台与梁、邻接梁之间等主要结构物间就会出现空隙的问题。

在减震设计中，以支座产生的与8.4.3节规定的减震支座的设计位移相当的位移为前提，梁要能够允许仅此程度的位移。

因此，原则上最好在梁端设置8.7.2节规定的空隙。

但是，要是增大空隙，伸缩接头的空隙就会变大，而且会成为过大的结构，有时就会产生维护管理、行走性能、振动及噪音等问题。

因此，采用减震设计时，可以研究如下的方法和策略。

1）尽量不设置一个桥墩支撑两个上部结构的梁端部这样的桥墩，要谋求多跨连续化，使桥作为整体振动的结构系统。

2）梁端部和桥台即使产生大的变形，采用能吸收变形的伸缩装置和桥台，要力求在大地震时具有实质的空隙。

其次，在一个桥墩上设置两个上部结构的梁端部时，为了不使梁端部的两个设计振动单元的冲突相互产生坏影响，必须注意不要使两个设计振动单元的固有周期相差太大。

8.2减震设计

（1）减震设计，遵照第4章以及第5章的规定，根据地震系数法及地震时保有水平抗力法进行。

减震设计中采用的设计水平地震力系数遵照8.3节的规定。

（2）采用减震设计的桥，可以进行动态解析并使其结果反映在设计中。

（3）采用减震设计时的落梁防止系统除了遵照第13章的规定外，还需遵照8.7节的规定。

（4）以分散地震时的水平力为目的而采用减震支座时，不能减低基于8.3节规定的减震桥的衰减常数的设计水平地震力系数。

解说：

（1）规定减震设计应合并使用地震系数法和地震时保有水平抗力法进行。

但是减震支座的设计要以地震时保有水平抗力法进行。

这是因为，减震桥中，减震支座是在期望减低地震力方面特别重要的结构要素，在大部分情况下支座特性由地震时保有水平抗力法所决定。

图-解8.2.1示出了减震设计的流程。

（2）减震设计中，在考虑桥墩的非线性的同时也有必要考虑减震支座的非线性性质，因此也采用动态解析慎重研究抗震性，可在设计中反映出解析结果。

而且，在进行动态解析时，遵照第6章的规定，同时希望校核以下几点。

1）如设计中设想的，变形主要由减震支座吸收，下部结构不集中过度的变形。

2）如设计中设想的，减震支座提高衰减性能。

其次，一般地在减震桥的情况，以减震支座的变形为中心的1次振动模式卓越，同时，许多情况下各个桥墩具有几乎同样的振动特性，因此模型化时，不是无益地谋求复杂的模型化，必要时以各个桥墩分割等，要谋求确切反映桥的振动特性的模型化。

图-解8.2.1减震设计的流程

3）采用减震设计时，除了考虑第13章规定的落梁防止系统外还要考虑减震桥的振动特性，遵照8.7节的规定，要对结构进行研究和关注。

（4）也要考虑使用减震支座仅作为地震时水平力分散支座的情况。

不进行减震设计时，使桥的固有周期长周期化，作为减震支座，不能担保使减震性能提高这样的功能，在这种情况下，不能减低基于8.3节规定的减震桥的衰减常数的设计水平地震力系数。

8.3用于减震设计的设计水平地震力系数

（1）地震系数法中采用的设计水平地震力系数kh按照4.1节的规定算出。

（2）地震时保有水平抗力法中采用的等效水平地震力系数根据式（8.3.1）算出。

但是，根据式（8.3.1）算出的值不能低于0.4与3.5节规定的地区修正系数cz的乘积，而根据式（8.3.2）算出的值，对于用于地震时保有水平抗力法的I类及II类地震动，分别不能低于0.3及0.6。

（8.3.1）

（8.3.2）

式中，

khem：

地震时保有水平抗力法中采用的减震桥的等效水平地震力系数（取小数点后两位）

khcm：

应用地震时保有水平抗力法的减震桥的设计水平地震力系数（取小数点后两位）

khc：

地震时保有水平抗力法中采用的设计水平地震力系数，遵照5.3.2节的规定。

cE：

基于由8.6节的规定算出的减震桥的衰减常数h的修正系数，取表-8.3.1的值。

m：

采用减震设计时的桥墩的容许塑性率

表-8.3.1基于减震桥的衰减常数h的修正系数cE

桥的衰减常数h

修正系数cE

h<0.1

1.0

0.1h<0.12

0.9

0.12h<0.15

0.8

h0.15

0.7

（3）采用减震设计时桥墩的容许塑性率在钢筋混凝土桥墩的情况和充填混凝土的钢制桥墩的情况分别根据9.2节和10.2节的规定求解。

但是，计算判断为弯曲破坏型的钢筋混凝土桥墩及充填混凝土的钢制桥墩的容许塑性率时的安全系数则根据式（8.3.3）算出。

m=2（8.3.3）

式中，

m：

为了算出采用减震设计时的桥墩的容许塑性率的安全系数

：

算出桥墩的容许塑性率时的安全系数，对于钢筋混凝土桥墩及充填混凝土的钢制桥墩，分别根据9.2节及10.2节的规定。

解说：

（1）规定了用于地震系数法的设计水平地震力系数。

由地震系数法进行减震设计不进行基于

（2）项规定的桥的衰减常数h的修正。

其理由为，在减震设计中，把握受到强地震动时的振动特性很重要，基于在这种条件下的减震桥的振动特性来减低地震力是用根据地震时保有水平抗力法的抗震设计进行的。

在设计振动单元中，地基种类变化时的处理按照3.3.3节的规定进行。

（2）根据5.3节的规定规定了用于地震时保有水平抗力法的等效水平地震力系数khem。

等效水平地震力系数khem，依据桥墩的容许塑性率，以每个用于5.3.2节规定的地震时保有水平抗力法的I类及II类的设计水平地震力系数khcm求出。

在算出设计水平地震力系数khcm时，要考虑基于减震桥的衰减常数h的修正系数cE，而修正系数cE则根据由8.6节的规定算出的减震桥的衰减常数h，由表-8.3.1求出。

在设计振动单元中，每个桥墩的容许塑性率、地基种类等变化时的等效水平地震力系数的处理遵照3.3.3节的规定。

使用这样求出的等效水平地震力系数，依照5.1节的规定，以1基的下部结构及其支撑的上部结构部分为单位的结构系统来划分设计振动单元，进行抗震设计。

在此，地震时保有水平抗力法中采用的减震桥的等效水平地震力系数的下限值之所以取0.4cZ是因为考虑到如5.3.2节的解说所示那样因长周期化而使等效水平地震力系数不要变得过小。

（3）在算出桥墩的容许塑性率时，之所以采用式（8.3.3）的安全系数是因为通过采用减震设计抑制桥墩的非线性响应、减少损伤，与此同时，希望能量吸收和长周期化不是由桥墩而是由减震支座确实地承担。

8.4减震支座的设计

8.4.1设计的基本方针

（1）与8.3

（2）节规定的等效水平地震力系数相当的惯性力遵照12.2节的规定作用于减震支座时，减震支座产生的位移，必须控制在8.4.3节规定的减震支座的设计位移的10%以内。

（2）根据8.6节的规定算出的减震桥的衰减常数必须低于8.3

（2）节规定中设定的桥的衰减常数。

解说：

减震设计中，要确实取得所要的减震效果，减震支座的设计是很重要的。

减震设计中，因为减震支座的刚性及能量吸收特性很重要，因此必须要使在减震支座的设计时设想的刚性及衰减常数与桥整体设计中求出的值正确地整合。

即，由于减震支座具有非线性特性，其刚性、衰减常数等一般根据减震支座的设计位移而变化。

因此，以减震支座的设计位移为基础来决定减震支座的刚性、设计常数等，然后根据8.6节的规定求出桥的衰减常数或者根据8.3

（2）节的规定求出用于减震设计的等效水平地震力系数。

这样一系列解析的结果，规定减震支座产生的位移及衰减常数必须与当初减震设计中假定的设计位移及衰减常数整合。

当初设定的减震支座的设计位移与用这一位移算出的减震支座产生的位移不同时，必须再一次修正减震支座的设计位移的设定值来进行减震设计。

由减震设计求出的减震支座产生的位移最好尽量与减震支座的设计位移相近，但为此而过度进行反复计算也是不合理的。

因此，为了使等效刚性的差异不对固有周期和地震时的响应带来很大影响，由减震设计算出的减震支座产生的位移一般应该控制在减震支座的设计位移的10%以内。

另外，关于减震桥的衰减常数，由于要据此谋求减低设计水平地震力系数，因此根据8.3

（2）节的规定，必须要低于设计中设想的桥的衰减常数。

8.4.2减震支座安全性的判定

减震支座的设计，对于与8.3

（2）节规定的等效水平地震力系数相当的惯性力，必须要满足以下条件。

（1）减震支座产生的剪应变必须在250%以下。

（2）减震支座产生的局部剪应变必须在橡胶的断裂应力除以安全系数所得值以下。

在此，安全系数设为1.2。

（3）减震支座的连接构件及与减震支座相连接的上下部结构部分的抗力必须在采用等效水平地震力系数算出的惯性力以上。

解说：

应该规定根据地震时保有水平抗力法的抗震设计中减震支座的安全性判定标准。

减震支座的容许剪应变在根据地震时保有水平抗力法的设计中规定为250%。

这是从用天然橡胶、氯丁橡胶及高衰减橡胶等制作的减震桥用的多层橡胶支座的水平力与水平位移的关系显示稳定特性的范围制定的。

考虑到减震支座是减震设计中的主要结构构件，作用于减震支座的垂直荷载以及因水平力而在多层橡胶支座的端部产生的局部剪应变要在容许值以内，对此应该进行校核。

橡胶的断裂应变可参考表-解8.4.1中的值。

但是在以减小减震支座产生的剪应变为目的时，不能采用具有极大剪切弹性模量的橡胶。

另外，采用进行特殊配合比设计的橡胶材料时，必须由材料试验来决定物理常数。

表-解8.4.1弹性橡胶的物理常数参考值

物理常数

橡胶种类

橡胶的剪切弹性模量G

（kgf/cm2）

断裂应变

（%）

天然橡胶

8.0

500

10.0

12.0

氯丁橡胶

8.0

400

10.0

规定不仅要对减震支座本体的安全性，对固定支座与上部结构的螺栓、与下部结构固定的地脚螺栓等连接构件，以及与支座连接的上下部结构部分的安全性也要校核。

遵照12.3节的规定，对与地震时保有水平抗力法中采用的减震桥的等效水平地震力系数khem相当的惯性力，要控制这些构件（的屈服强度）在材料的屈服强度以内。

这些构件的抗力从容许应力算出，可考虑1.5的加成系数。

8.4.3减震支座的设计位移

[地震系数法的情况]

[地震时保有水平法抗力的情况]

减震支座的有效设计位移uBe及设计位移uB分别由式（8.4.1）及式（8.4.2）算出。

（8.4.1）

（8.4.2）

式中，

uBe：

减震支座的有效设计位移（m）

uB：

减震支座的设计位移（m）

kh：

8.3节规定的地震系数法中采用的设计水平地震力系数

khem：

8.3节规定的地震时保有水平抗力法中采用的等效水平地震力系数

KB：

为求uB的减震支座的等效刚性（tf/m）

WU：

减震支座所分担水平力的上部结构部分的重量（tf）

cB：

表示惯性力非恒定性的修正系数（设为0.7）

解说：

减震支座一般具有非线性滞后特性，为转换为等效线性化法进行设计，必须假定减震支座产生的位移。

在根据地震系数法的设计中，与8.3

（1）节规定的设计水平地震力系数相当的惯性力作用时减震装置产生的位移设为减震装置的设计位移uB，在根据地震时保有水平抗力法的设计中，把与8.3

（2）节规定的等效水平地震力系数相当的惯性力作用时减震支座产生的位移设定为减震装置的设计位移uB。

地震时减震支座产生的位移的时间的变化根据地震动的特性而变化，为了决定减震支座的等效刚性和等效衰减常数，与实际值（有效值）相当的值比与减震支座产生的最大位移相当的值更为重要，称此为减震支座的有效设计位移，规定如式（8.4.1）。

之所以把表示惯性力的非恒定性的修正系数cB定为0.7，是因为，为了以等效线性化法表示桥的地震响应，采用与最大响应的70%这一程度的响应位移相当的减震支座的等效刚性KB及等效衰减常数hB是适当的。

8.4.4减震支座的等效刚性及等效衰减常数

减震支座的等效刚性及等效衰减常数原则上由式（8.4.3）及式（8.4.4）算出。

（8.4.3）

（8.4.4）

式中，

KB：

减震支座的等效刚性（tf/m）

hB：

减震支座的等效衰减常数

UBe：

8.4.3节规定的减震装置的有效设计位移（m）

F（u）：

为给减震支座以水平位移u所必要的水平力（tf）

W：

减震支座的弹性能，为图-8.4.1所示的三角形的面积（tf·m）

W：

减震支座所吸收能量的合计，为图-8.4.1所示的水平位移与水平荷载的滞后曲线的面积（tf·m）

图-8.4.1减震支座的等效刚性及等效衰减常数

解说：

由减震支座减低地震力是通过由隔震器的长周期化和由阻尼器的能量吸收性能来进行的，必须正确地决定减震支座的刚性及衰减常数。

减震支座的水平力与水平位移间的关系一般为非线性，要通过等效线性化法来表示与减震支座的有效设计位移相应的减震支座的刚性及衰减常数。

减震支座的有效设计位移uBe，如8.4.3所规定的，采用地震系数法时与采用地震时水平抗力法时得到的值是不同的。

减震支座的等效刚性KB及减震支座的等效衰减常数hB，对应于减震支座的有效设计位移uBe，能得到3类值。

减震支座的非线性性质，如图-解8.4.1所示，一般地以双直线型来表示。

这时，减震支座的等效刚性及等效衰减常数如下给出。

（解8.4.1）

（解8.4.2）

式中，

KB：

减震支座的等效刚性（tf/m）

hB：

减震支座的等效衰减常数

Qd：

图-解8.4.1所示的减震支座的屈服荷载（tf）

uBe：

8.4.3节规定的减震装置的有效设计位移（m）

K1,K2：

图-解8.4.1所示的减震支座的1次，2次刚性（tf/m）

图-解8.4.1减震支座的滞后特性

8.4.5减震支座的动态特性

（1）减震支座的等效刚性必须要控制在根据8.4.4节的规定算出的值的10%以内进行设计。

减震支座的等效衰减常数必须在根据8.4.4节的规定算出的值以上进行设计。

（2）减震支座的设计必须要做到对通过8.4.3节规定的地震时保有水平抗力法中采用的减震支座的设计位移uB进行正负连续反复加载仍稳定。

（3）减震支座的设计必须要做到在8.4.3节规定的地震时保有水平抗力法中采用的减震支座的设计位移uB的范围内具有正切线刚度。

（4）减震支座的设计必须要做到地震后不产生有害的永久变位。

（5）减震支座的等效刚性及等效衰减常数，对平常荷载的变动、温度变化等环境条件，必须是稳定的。

解说：

（1）规定减震支座的动态特性的指标有等效刚性、等效衰减常数、屈服荷载等，减震效果基本上由减震支座的等效刚性及等效衰减常数所决定。

在此，减震支座的设计应该做到，与8.4.4节规定的地震时保有水平抗力法中采用的减震支座的有效设计位移uBe相对应的减震支座的等效刚性要控制在设计值的10%以内，等效衰减常数要在设计值以上。

在此所谓减震支座的等效刚性以及等效衰减常数，是指由8.4.3节规定的地震时保有水平抗力法中采用的减震支座的有效设计位移uBe进行10次正负反复加载而求出的等效刚性以及等效衰减常数的平均值。

如果减震支座的等效刚性及等效衰减常数的平均值对于设计值满足上述条件，上部结构的加速度、位移响应等的变动幅度在设计上就不会成为特别的问题。

不要使用特性值特散乱、不能得到稳定的滞后曲线的减震支座。

（2）减震支座有时会产生伴随着吸收能量的积累而温度上升、能量吸收能力下降及因断裂能量吸收能力的丧失等。

规定了减震支座的设计要做到减震支座的能量吸收能力对因地震的能量输入有足够的宽裕。

反复加载次数，一般考虑I类设计地震力时50次，考虑II类地震力时15次为目标。

与地震的类型相应的反复加载次数还未能完全搞清，但已知一般如I类的地震动那样由平板境界型的大规模地震引起的地震动反复次数多，而由兵库县南部那样的内陆直下型地震引起的II类地震动反复次数少。

考虑到赋予支座充分的稳定性，估计因一次地震的反复次数对I类地震动为30次，对II类地震动为78次这样的程度，可以看出是有宽裕的。

（3）在地震时减震支座产生进入非线性域的大位移时，必须避免地震时位移单向积累。

因此，原则上应该规定减震支座的设计有必要做到在减震支座的设计位移uB的范围常保持正值的切线刚度。

（4）减震设计必须避免产生给地震后桥的行驶性带来坏影响的永久位移。

减震支座回复至原位置的性能可以根据由地震时保有水平抗力法中使用的减震支座的设计位移自然释放减震支座后使其自由振动时产生的永久位移uBR来表示。

减震支座的残余位移uBR可以8.4.3节规定的地震时保有水平抗力法中使用的