有關(guān)減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用淺析

劉佳鈺，張 軍

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 前言

減隔震技術(shù)作為目前應(yīng)用較廣泛的一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它利用特制的減震及隔震裝置,大量消耗或阻止進入結(jié)構(gòu)體系的能量,達到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與大小的目的。隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，以及近年來地震事故頻發(fā)的狀況，減隔震技術(shù)作為一種流行的、安全可靠的、經(jīng)濟有效的防震減災(zāi)技術(shù)迅速在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了應(yīng)用。減隔震包括了減震和隔震兩部分，前者主要是指使用特殊減震部件或設(shè)備從而能夠在強烈地震中，產(chǎn)生較大的阻尼，然后大量耗散系統(tǒng)的能量；后者以隔震方式削弱主體結(jié)構(gòu)的地震能量。

1 減隔震技術(shù)原理

減隔震技術(shù)是一種綜合利用隔震和減震的抗震設(shè)計方法，具體來講就是通過了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位置阻斷地震波的傳播、隔離地震能量。減隔震設(shè)計中還考慮了通過附加阻尼的方法進一步降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。主要包括了減震技術(shù)和隔震技術(shù)。前者是指人為的將阻尼以及耗能構(gòu)件等設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)的某些合適的位置，從而使得耗能構(gòu)件能對地震波的能量進行吸收。后者也是一種特殊的結(jié)構(gòu)類型。它與減震不同的是，它是具有震動周期的特殊結(jié)構(gòu)。在地震發(fā)生時，同樣可以使得橋梁結(jié)構(gòu)的地震能量輸出。從而使得橋梁結(jié)構(gòu)緩沖地震力量，更好的保護橋梁結(jié)構(gòu)。兩者相得益彰，共同應(yīng)對地震波從而保護橋梁免受迫害。

由于隔震的本質(zhì)和目的是將結(jié)構(gòu)與可能引起結(jié)構(gòu)破壞的地面運動盡可能的分離開來。所以從能量守恒的觀點分析減隔震結(jié)構(gòu)在任意時刻的能量變化。能量方程如下:

Ein的含義是橋梁結(jié)構(gòu)在地震中所接受的全部能量。Eve的含義是橋梁結(jié)構(gòu)承受的動能與彈性勢能總和。Ec的含義是橋梁結(jié)構(gòu)本身阻尼所耗費的能量;Ep的含義是橋梁結(jié)構(gòu)進行彈性變形所耗費的能量；Ei的含義是減隔震裝所耗費的能量。

2 減隔震技術(shù)的發(fā)展

起始階段：19世紀歐洲已經(jīng)萌發(fā)了基礎(chǔ)隔震思想，但直到 20世紀70年代新西蘭學(xué)者羅賓遜開發(fā)的 LRB(鉛芯橡膠支座隔震技術(shù))開始逐漸受到關(guān)注。

發(fā)展階段：從 20世紀80年代至今，這一階段是減隔震技術(shù)的高速發(fā)展階段。例如 1981年在新西蘭惠靈頓建成的威廉克萊頓大樓是世界上第一個使用減隔震技術(shù)的建筑。1984年加州律師事務(wù)中心福希爾司中心建成后它是美國第一座隔震建筑，也是世界上第一個使用高阻尼橡膠支座隔震的建筑。1984年美國鹽湖城的市政大廈強調(diào)高層建筑必須使用隔離技術(shù)。2003年建成的日本大阪楠葉塔樓最高部分達到 136.8 m，這也歸功于建設(shè)中使用了減隔震技術(shù)。2010年應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)建成了世界最高的建筑迪拜塔哈利法塔。

結(jié)合文獻研究最近幾年的關(guān)于減隔震技術(shù)的文章，可以看到明顯呈現(xiàn)一個幾乎指數(shù)遞進的趨勢，見圖1。

由圖1可知，研究關(guān)于減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用是當(dāng)前的一大趨勢，這也反映出減隔震技術(shù)對于橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分重要的。

3 減隔震技術(shù)的重要性

圖1 減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計上發(fā)表的文章

橋梁設(shè)計中的減隔震設(shè)計指的是在橋梁建設(shè)時安裝隔震器，它可以使橋梁在水平方向上得到柔性支承，這樣就使水平方向上的周期延長，另外還要安裝阻尼器提高橋梁的阻尼效應(yīng)，可以在地震發(fā)生時降低地震的作用。如果在橋梁的設(shè)計中加強隔震設(shè)計，可以有效地改善和分解地震中的地震力在各結(jié)構(gòu)支座間力的分布情況，這樣可以保護橋梁的基礎(chǔ)部位，同時對橋梁的上部結(jié)構(gòu)可以有效地支撐和保護在橋梁。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)減隔震設(shè)計可起到調(diào)節(jié)橫向剛度的作用，這樣可以改善橋梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)平衡的問題，有效地降低了地震力。所以，減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計上十分重要。

4 橋梁減隔震裝置分類

橋梁減隔震技術(shù)發(fā)展迅速，減隔震裝置分類上比高層建筑的減隔震裝置更多些。常見的橋梁減隔震裝置包括五類：鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑動摩擦型支座、液體黏滯阻尼器、金屬阻尼器。隨著時代的發(fā)展科技的進步，肯定有更多的橋梁減隔震裝置出現(xiàn)，本文就這些做一個簡單的分析。

4.1 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座是由普通疊層橡膠支座及其中間的高純度鉛芯組成。普通疊層橡膠提供豎向承載力和水平柔性及恢復(fù)力，高純度的鉛芯利用其塑性性能吸收并耗散能量。金屬鉛有較高的初始剪切模量和理想彈塑性性能，因此鉛芯橡膠支座能夠滿足強震下耗能需求和正常使用時提供足夠的剛度。鉛芯橡膠支座是同時具備減震和隔震雙重功能的減隔震裝置。

4.2 高阻尼橡膠支座

高阻尼橡膠支座采用添加纖維塑料、石墨或其他添加劑的高阻尼橡膠材料制成。支座產(chǎn)生剪切變形時，高阻尼橡膠中的纖維塑料或石墨細顆粒物通過摩擦生熱耗散運動能量，其阻尼比一般在 10%～20%，約為普通疊層橡膠支座的 2～4 倍。因此，高阻尼橡膠支座不僅具有與普通板式橡膠支座同樣的力學(xué)性能，更具備阻尼比高、減震耗能性能突出的優(yōu)點。

4.3 滑動摩擦型支座

滑動摩擦型支座在我國最常見的是聚四氟乙烯滑板支座。該支座采用聚四氟乙烯（PTFE）材料做摩擦板，與不銹鋼板的摩擦系數(shù)僅為 0.06，是中等噸位活動型支座的首選。在地震作用時，當(dāng)支承在滑動摩擦型支座上的梁體受到的慣性力大于摩阻力時，梁體與支座滑動面之間開始滑移，橋梁結(jié)構(gòu)的振動周期延長；梁體通過支座傳遞給橋墩的水平力即為摩阻力。

4.4 液體黏滯阻尼器

液體黏滯阻尼器由高強耐壓缸體、活塞桿、活塞及阻尼孔和黏性阻尼液等組成，其工作原理是利用活塞兩端壓力差使高黏性阻尼液反復(fù)流過阻尼孔而產(chǎn)生阻尼力并耗散運動能量。

液體黏滯阻尼器屬于速度黏滯型阻尼，阻尼力峰值與結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力峰值存在一個約 90°的相位差，阻尼器兩端相對位移達到最大值時，相對運動速度為零，阻尼器提供的阻尼力也為零；當(dāng)阻尼器兩端相對位移為零時，相對運動速度達到最大值，阻尼器提供的阻尼力也相應(yīng)的達到最大值。

4.5 金屬阻尼器

金屬阻尼器是利用一些金屬材料如鋼、鉛等彈塑性變形性能吸收地震能量的裝置。采用低屈服點鋼材可以制成彎曲型或剪切型阻尼器。

5 橋梁減隔震裝置的缺點

（1）適用條件有限

不是所有情況都適合應(yīng)用減隔震技術(shù)。例如：場地比較軟弱、不穩(wěn)定、或延長橋梁結(jié)構(gòu)周期后容易發(fā)生共振等情況，就不宜使用隔震技術(shù)。在進行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計之前需要判斷該橋是否適合采用減隔震技術(shù)。事實上，至少滿足下面一個條件,就可以嘗試采用隔震技術(shù)進行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。一、地震波的強度：減隔震技術(shù)更適合于適用于能量集中于高頻的地震波。二、橋梁結(jié)構(gòu)的高度：橋梁高度是不規(guī)則的,例如相鄰橋墩的高度顯著不同,因而可能存在對某個墩延性要求很高的情況。三、場地的角度：預(yù)期地面運動特性比較明確,具有較高的卓越頻率并在長期內(nèi)含有較低的能量。

（2）缺乏考驗

當(dāng)前設(shè)計出的許多減隔震裝置都沒有經(jīng)歷過真正的地震檢驗，性狀優(yōu)劣還有待考證。只有經(jīng)歷過大地震才知道一項減隔震技術(shù)效果如何。

（3）規(guī)范缺乏

我國在橋梁減隔震裝置設(shè)計上還缺乏規(guī)范性，更缺乏經(jīng)驗支持，尤其是在細節(jié)處理及構(gòu)件設(shè)計上，若是不能及早完善這些缺點，有可能會引起減隔震裝置的作用大大降低甚至失效。

6 相應(yīng)的策略

（1）學(xué)習(xí)并了解地震發(fā)生的強度，周期等，確保減隔震裝置不會用錯地方。辨認減隔震技術(shù)的使用范圍無疑是正確充分利用的充分條件。

（2）國家和地方政府需要制定、并完善相應(yīng)的法律法規(guī)，政策方針。規(guī)范橋梁建設(shè)的安全。尤其是裝有減隔震裝置的橋梁，抗震效果的判斷等。

（3）充分利用現(xiàn)在的計算機模擬實際情況，進行充分的論證和實驗后才能付諸于實踐。同時要對技術(shù)不斷更新和提升。從而在橋梁建設(shè)方面更加的安全、防震、便捷。

7 結(jié)語

減隔震技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中,可以根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特點,在不同的位置設(shè)置不同的減隔震裝置,來提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。目前，我國尚處于隔震技術(shù)起步階段，國外的一些成功工程技術(shù)經(jīng)驗值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。因此，在實際工作中，應(yīng)該利用國外先進經(jīng)驗，健全法律法規(guī)，增強我國橋梁的減隔震裝置和方法的設(shè)計水平，提高橋梁工程抗震性能。

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