市政橋梁隔震設(shè)計(jì)的探討

陳超

摘要：近年來(lái)市政橋梁結(jié)構(gòu)抗震正逐步地從被動(dòng)的抗震設(shè)計(jì)發(fā)展為現(xiàn)代隔震控制技術(shù)，該技術(shù)可以顯著提高橋梁體系的抗震性能，為了促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)體系的健全，總結(jié)并探討隔震設(shè)計(jì)的技術(shù)和方法是十分必要的。

關(guān)鍵詞：市政橋梁；抗震；隔震；阻尼；

中圖分類(lèi)號(hào)： TU99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、隔震設(shè)計(jì)的具體意義

地震發(fā)生時(shí)，橋梁上部結(jié)構(gòu)引起的慣性力荷載會(huì)在下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的內(nèi)力和位移。而上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間相對(duì)位移的變化取決地面運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、支撐條件和耗能特征等。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)中通過(guò)延性設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足橋墩和橋臺(tái)的受力要求。然而構(gòu)件在強(qiáng)震發(fā)生時(shí)將出現(xiàn)較大的延性變形，混凝土剝落，鋼筋在塑性鉸區(qū)域發(fā)生屈服，從而產(chǎn)生不可恢復(fù)的側(cè)向位移。同時(shí)，由于恰當(dāng)模擬構(gòu)件的非線(xiàn)性及構(gòu)件屈服后的弱化行為較困難，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的非線(xiàn)性響應(yīng)分析存在許多不確定性。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)將建筑物構(gòu)件與由強(qiáng)震產(chǎn)生地面運(yùn)動(dòng)的破壞作用分離開(kāi)來(lái)這一主動(dòng)隔震的思想一直吸引著工程界人士。隔震技術(shù)的研究始于房屋結(jié)構(gòu)，而后才應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)。隔震技術(shù)一是通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期來(lái)減小結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，從而減小結(jié)構(gòu)由于地震所產(chǎn)生的地震荷載，二是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，來(lái)減少地震引起的位移反應(yīng)。

通過(guò)隔震設(shè)計(jì)，可以全面降低地震荷載，并改善地震荷載在各墩臺(tái)間的分布。在同等造價(jià)情況下可達(dá)到比傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)高的抗震性能。通過(guò)隔震設(shè)計(jì)，可減小或消除在設(shè)計(jì)水準(zhǔn)地震下結(jié)構(gòu)位移超出彈性范圍的現(xiàn)象。震后的主要維修工作是更換隔震裝置，時(shí)間相對(duì)較短，維修的費(fèi)用也相對(duì)較低。對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，若采用全保護(hù)隔震設(shè)計(jì)，非線(xiàn)性?xún)H局限于隔震裝置，因隔震裝置的非線(xiàn)性力學(xué)特性相對(duì)于構(gòu)件的非線(xiàn)性力學(xué)性能要清楚得多，從而更易于準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算分析。

上述分析表明隔震設(shè)計(jì)可以極大改善結(jié)構(gòu)的抗震性能并帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，我國(guó)在2011年頒布的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中將隔震和減震設(shè)計(jì)作為獨(dú)立的一章寫(xiě)進(jìn)規(guī)范，并規(guī)定了設(shè)計(jì)要點(diǎn)和相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，這也說(shuō)明了隔震設(shè)計(jì)理論和相關(guān)裝置產(chǎn)品的逐步成熟。

三、隔震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理及其基本原則

1、設(shè)計(jì)原理解析

常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)方法通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形能力來(lái)達(dá)到抵御地震的效果。而隔震設(shè)計(jì)是由抗震設(shè)計(jì)發(fā)展到一定時(shí)期演變而來(lái)的產(chǎn)物，其原理恰如其名“隔震”，即減小地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一些不利影響。隔震設(shè)計(jì)關(guān)鍵是添加了柔性要素，使構(gòu)件和水平地面運(yùn)動(dòng)在很大程度上降低關(guān)聯(lián)，使結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度比地面加速度小，旨在依靠減小而非抵抗地震作用來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)不受地震破壞。此外，阻尼的引入有效地消耗了輸入的地震動(dòng)能量，使傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上的作用力大大降低，并有效控制結(jié)構(gòu)位移。

2、隔震設(shè)計(jì)原則

（1）采用隔震設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)橋梁的自振周期和提高橋梁結(jié)構(gòu)的耗能能力時(shí)，其效果應(yīng)從平時(shí)和地震情況下兩方面來(lái)校核判斷。

（2）對(duì)具體項(xiàng)目具體分析，實(shí)施隔震設(shè)計(jì)前，要客觀分析工程條件和實(shí)際情況，并保證有切實(shí)可行的方法、工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則就不可能達(dá)到理想中的效果。

（3）以下幾種情況下原則上不宜采用隔震設(shè)設(shè)計(jì)：

a.基礎(chǔ)周?chē)纳蠈臃浅＼浫? 如為液化土?xí)r；

b.下部結(jié)構(gòu)柔性大, 橋梁結(jié)構(gòu)固有周期本身就較長(zhǎng)；

c.由于基礎(chǔ)周?chē)鼗浫?，延長(zhǎng)橋梁周期后可能引起地基與橋梁共振；

d.需要受拉支座的橋梁。

（4）進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)，為提高其耗能能力，可提高其阻尼比，而不應(yīng)過(guò)分延長(zhǎng)橋梁的自振周期。

（5）采用隔震設(shè)計(jì)的橋梁，其自振周期和地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)位移的增大不應(yīng)危及橋梁的功能。

（6）應(yīng)清楚了解隔震裝置的性能參數(shù)，應(yīng)選擇機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠的隔震裝置，并應(yīng)使用其力學(xué)性能比較明確的范圍。

（7）隔震裝置用錨栓等與上下部結(jié)構(gòu)連結(jié)，應(yīng)能進(jìn)行更換。

（8）采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)所假定的容許位移。在橋臺(tái)、橋墩等主要結(jié)構(gòu)物之間設(shè)計(jì)位移間隙。

四、橋梁常用隔震支座

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)而言，梁體和墩臺(tái)通過(guò)支座連接。理論和試驗(yàn)表明：在梁體與墩臺(tái)間設(shè)置水平柔性支承和能量耗散裝置可以有效地降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。目前技術(shù)比較成熟的常用減隔震支座可分為滑動(dòng)摩擦體系（P-F system），橡膠類(lèi)減震體系（LBR）以及鋼耗能體系三類(lèi)。

純滑動(dòng)摩擦體系的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地震波的頻率不敏感，隔震范圍廣。地震動(dòng)傳到上部結(jié)構(gòu)的最大加速度近似等于支座的摩擦系數(shù)，下部結(jié)構(gòu)受到的最大水平力近似等于摩擦力。采用純滑動(dòng)體系時(shí)可能導(dǎo)致較大的結(jié)構(gòu)位移，一般須與具有回復(fù)能力的構(gòu)件聯(lián)合使用。

橡膠類(lèi)支座可以發(fā)生較大的水平變形，增加了結(jié)構(gòu)柔性，提高周期。鉛芯橡膠支座在彈塑性變形條件下具有很強(qiáng)的耗能能力，是目前應(yīng)用廣泛的隔震器。但低頻小振幅地震激勵(lì)可能會(huì)使鉛芯支座體系的地震反應(yīng)放大。對(duì)墩柱較柔的橋梁，其隔震效果也不是很好。

鋼耗能體系支座是在支座周邊布置一系列的耗能構(gòu)件，橫向力作用下, 所有截面的應(yīng)力基本相同，所以能夠得到最大的耗能效果。耗能單元的鋼材一般具有較好的伸張度和較低的硬化度

五、橋梁的隔震設(shè)計(jì)

1、概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)之魂，橋梁是否結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)美觀,早在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前的概念設(shè)計(jì)階段就已確定。對(duì)于隔震設(shè)計(jì)，在概念設(shè)計(jì)階段一方面是在掌握各類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性和現(xiàn)有隔震技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上根據(jù)具體的工程地質(zhì)、地震動(dòng)特性以及正常使用條件等實(shí)際情況，借鑒結(jié)構(gòu)抗震經(jīng)驗(yàn)提出適合于該場(chǎng)地的有效、經(jīng)濟(jì)、合理的抗震結(jié)構(gòu)形式。另一方面，對(duì)確定的結(jié)構(gòu)形式在不同水準(zhǔn)地震作用下預(yù)期的振動(dòng)響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線(xiàn)性后的受力行為進(jìn)行考慮，做到概念上定性的認(rèn)識(shí)和理解。最后判別其是否適合使用隔震技術(shù)，選用何種隔震裝置及如何布置隔震裝置比較合理等。

2、數(shù)值分析

在橋梁的隔震設(shè)計(jì)中，主要包括隔震裝置的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。其中，前者是隔震的設(shè)計(jì)核心。對(duì)于簡(jiǎn)單規(guī)則的橋梁，一般采用彈性反應(yīng)譜法。而對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜或不規(guī)則的橋梁，則需采用時(shí)程分析法。

彈性反應(yīng)譜方法，計(jì)算簡(jiǎn)單，和現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算方法接近，易于接受。但由于隔震裝置的等效剛度和等效阻尼和隔震裝置最大變形相關(guān)，而隔震裝置的變形又與整個(gè)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相關(guān)。所以應(yīng)用該方法的隔震設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代的過(guò)程。在時(shí)程分析法中，由于沒(méi)有直接的公式和規(guī)則來(lái)達(dá)到目標(biāo)。一般的情況是設(shè)計(jì)者首先建立一個(gè)他認(rèn)為地震反應(yīng)可以被接受的結(jié)構(gòu)模型，利用計(jì)算分析后的結(jié)果修正其初始模型，再進(jìn)行下一個(gè)階段的分析，直到得到一個(gè)合理的設(shè)計(jì)。計(jì)算分析中應(yīng)采用合適的非線(xiàn)性連接單元模型中阻尼器、隔震器的屬性

3、細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)

進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)，為保證得到較好的效果必須注重細(xì)部設(shè)計(jì)。橋梁的附屬結(jié)構(gòu)，如限位裝置、伸縮縫、防落梁裝置對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和隔震效果都有很大影響，應(yīng)將這些因素在計(jì)算模型中予以考慮。

對(duì)于上部結(jié)構(gòu)不連續(xù)時(shí)，應(yīng)限制各段之間的相對(duì)位移并預(yù)留足夠的縫隙以免地震時(shí)相互碰撞；對(duì)于擋塊、連接件等應(yīng)驗(yàn)算其強(qiáng)度、剛度；充分考慮隔震裝置的維護(hù)和更換的便利性。

結(jié)束語(yǔ)

橋梁是作為一項(xiàng)基礎(chǔ)市政工程，在危機(jī)管理中也是非常重要的一部分，需要有較強(qiáng)抗震能力。隔震技術(shù)是簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的工程抗震手段，相對(duì)傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法可以更好地保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)在地震時(shí)遭受破壞。國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁減隔震及裝置的研究已有不少成果但實(shí)踐尚少，仍存在很多問(wèn)題亟待我們研究和解決。

參考文獻(xiàn)

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