淺析市政橋梁中的隔震設計應用

陳立楠，李琪

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

橋梁設計中，梁和墩的強度、延性不夠會引起橋梁震害。除此之外，一般砂土液化和地基下沉等地質現(xiàn)象也可以引起橋梁基礎破壞，從而導致橋梁倒塌。在地震中，橋梁的結構形式和連接措施會對震害有很大影響。如果橋梁的支撐點存在激勵不一致的問題，也會引起橋梁震害。傳統(tǒng)的橋梁抗震設計方法是增強橋梁結構的自身強度及其延性（變形能力）來提高對地震力的抵制作用，增加吸收地震能量的作用。雖然這種方法可以在一定程度上防止結構發(fā)生倒塌，但是結構振動以及產生的損傷是不可避免的。傳統(tǒng)方法不能從本質上提高橋梁結構的抗震性能，而且會使得成本增加，美觀度下降。新的抗震設計是采用隔震技術，運用新技術提高相關構件的彈塑性，以緩沖地面對橋梁的支反力，降低地震引起的橋梁主體結構破壞，不僅降低工程成本、簡化程序，還不影響主體結構，保證橋梁觀感[1]。

1 隔震技術概述

隔震技術是利用隔震裝置減小或截斷地震能量進入主體結構，有時和減震技術結合使用。實際上就是通過減震或者隔震裝置來改變結構在地震中的振動響應特性，減少沖擊能量對橋梁主體結構的輸入[2]。

橋梁減隔震設計有很多好處，表現(xiàn)在：

（1）有效調整橋梁水平方向上的剛度，使豎直平面內扭力平衡，有效降低地震帶來的橫向作用力；

（2）既不影響工程造價，又能保障橋梁在地震中的安全性，大大提高了橋梁的性價比；

（3）可以保護橋梁下部基礎，提高結構承載力和優(yōu)化支座反力；

（4）在地震時，一般橋梁有可能表現(xiàn)出超出彈性設計范圍的情況，減隔震裝置可以有效消除這種結構變形。

隔震技術原理：一是提高結構柔性，延長自振周期，減小其地震反應；二是增加結構能量耗散能力或者阻尼，減小由于自振周期的變化帶來的結構位移；三是減隔震裝置必須能支撐起整個主體結構，保證整體在正常設計載荷下有足夠的強度和剛度。如圖1（a）所示，增加結構自振周期，結構位移也相應增加，可采取圖1（b）的方法，即增加結構阻尼，抑制結構位移的增加。

圖1 結構周期反應譜

市政橋梁減隔震設計技術尤其適用條件，根據(jù)已有國內外文獻可以得到其必須滿足的條件為：一是橋梁中包含剛性墩，橋梁本身自振周期短；二是橋梁垂向尺度不規(guī)則，比如相鄰橋墩有不同高度，這就需要某個橋墩有很好的延性；三是地面運動特性明確，長周期內含能量較低。有的情況就不適合使用隔震裝置，比如：基礎地面不穩(wěn)定，下部結構是大柔性結構，延長周期可能引起結構共振；支座支反力存在負值[3]。

2 常用減隔震裝置模型及原理

2.1 抗震滑動摩擦支座

抗震滑動摩擦支座的減震原理[4-6]：正常環(huán)境下，其作用為普通固定鋼支；地震環(huán)境下，如果支座剪力大于水平設計承載力，則限制載荷剪力銷將被剪斷，支座變?yōu)榛瑒又ё_到隔震效果；滑動過程中，支座內產生的摩擦力起到耗能作用。其滑動前后的路徑符合雙線性恢復力模型，如圖2所示。圖2中K、K p分別為支座滑動前后剛度，Kp的值一般依據(jù)橋梁上部結構的控制位移來確定；Qy為支座限位力；開始滑動時變形Xy值一般取2 mm?？拐鸹瑒幽Σ林ё瓌t上只適用于橫向減隔震設計，只有當?shù)卣鹱饔脤徍思捌鹂刂谱饔脮r才能用于縱向減震。

圖2 雙線性恢復力模型

圖3為抗震互動摩擦支座的力學模型，其中F支座為滑動摩擦力。

圖3 抗震滑動摩擦支座力學模型

2.2 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器一般由三部分組成，即缸體、活塞和流體?；钊习枘峥?，在缸體內可做往復運動，流體充滿整個缸體，一般為硅油或者其他黏性流體[7]。

粘滯阻尼器的阻尼力是速度相關冪函數(shù)，當活塞的振動頻率比4 Hz小時，認為其剛度為零，阻尼力表達式為：

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；ν為速度；α為速度指數(shù)。

在實際使用中，可以根據(jù)橋梁結構的動力特性來選擇合適的阻尼器，使其減隔震效果達到最佳。

粘滯阻尼器的運行原理為：活塞和缸體之間存在相對運動，壓力差使得黏性流體從阻尼孔中流過，產生阻尼力，將振動能量轉化為熱能，從而減少結構動力反應。相對于其它減隔震裝置，其最大特點是：輸出的阻尼力和結構內力的反應存在π/2的相位差，并且不產生附加剛度。所以，粘性阻尼器在不改變主體結構的動力特性的情況下，可以減少相應位移，同時不產生附加內力。粘滯阻尼器力學模型如圖4所示。

圖4 粘滯阻尼器力學模型

圖4中，C為阻尼系數(shù)，K為阻尼器剛度，K b為連接彈簧剛度。當阻尼器活塞頻率小于4 Hz時，連接彈簧剛度Kb表達式為：

式中：T為結構的第一周期。

2.3 lock-up裝置

簡單來講，Lock-up裝置是一個速度開關。當墩和梁之間的速度差沒有達到Lock-up啟動速度時，此裝置對結構沒有任何影響。在地震作用下，墩和梁之間的速度差達到其啟動速度時，裝置立即啟動并鎖住，這時候裝置的作用相當于大剛度的連桿，墩和梁之間的節(jié)點計算由圖5中的（a）變成（b），自由墩變?yōu)楣潭ǘ眨餐袚卣鹱饔肹8-10]。

圖5 使用Loc kup裝置原理圖

圖5中，a、b是橋梁上部結構，c是橋墩，節(jié)點2為梁上的節(jié)點，4為墩頂部節(jié)點，在2和4之間水平安裝lock-up裝置。

Lock-up裝置有3個主要參數(shù)，即最大沖程、承載力和啟動速度。在正常環(huán)境下，裝置不能限制橋梁的自由變形，這樣可以確定其最大沖程；啟動速度依據(jù)工程具體要求確定；承載力通過具體計算確定。方法為：將裝置看做一個剛性連桿，對變換后的結構進行荷載作用下的內力分析，最大內力作為裝置的設計承載力極限值。

2.4 鉛芯橡膠支座

在普通橡膠支座中加圓柱形鉛芯就構成鉛芯橡膠支座，如圖6所示。

圖6 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座減隔震原理為：在正常環(huán)境下，鉛芯和普通固支有同樣的剛度；地震作用下，材料鉛容易發(fā)生過屈服，固支轉為滑動支座，這時橋梁結構的自振周期得到延長，輸入到上部結構的地震能量就大大減小。另外，鉛芯還有很高的耗能能力。綜上，鉛芯橡膠支座在正常使用下可以限位，地震作用下有耗能和隔震作用。

鉛芯橡膠支座的設計參數(shù)為：屈服力Qd、屈服前后結構剛度K1、K2。屈服力和屈服剛度對結構振動響應影響都很大，通過調整其值大小，可以使結構達到滿意的減震效果。其關系式為：

式中：W為支座垂向設計承載力；Q d/W為屈服比，反映其橡膠量和鉛芯量之比。

鉛芯橡膠支座使用條件建議在以下情況下考慮：設防烈度大于6度，橋梁整體基本自振周期短，地質條件較好。

3 隔震設計中出現(xiàn)的問題

在隔震設計中，要正確分析橋梁系統(tǒng)的抗震傳力路徑，然后采用有效的技術裝置和措施，保證隔震裝置在地震時能起到緩沖耗能作用。現(xiàn)階段我國的隔震設計還不規(guī)范全面，而且設計和施工經(jīng)驗都不足，容易在橋梁構造細節(jié)和施工措施上出現(xiàn)很多不科學的地方，大大影響減隔震裝置的性能作用。比如粘滯阻尼器的使用過程中，經(jīng)常發(fā)生泄漏油的事故。再者，我國還沒有形成完備全面的產品標準和技術規(guī)范等標準，如若不合格的隔震裝置引進市政橋梁設計中，會造成安全隱患。最后，產品的耐久性和疲勞性能等特性必須要及時檢測，相關部門也缺乏相應機制和規(guī)范標準。所以，相關部門規(guī)范設計標準、產品標準，以及完善基礎設備檢測程序和標準亟待解決。施工部門提高施工技術，注意細節(jié)問題，爭取不留安全隱患也尤為重要[11，12]。

4 結語

綜上，在市政橋梁設計中引入隔震設計可以大大提高橋梁在地震環(huán)境下的安全性能，不僅節(jié)約成本，而且不影響橋梁美觀。但是我國目前的減隔震技術還沒有形成成熟標準，要正確學習和借鑒國外先進橋梁隔震設計經(jīng)驗[13]，探索總結出符合我國市政橋梁建設的隔震設計技術，更好地為城市建設和人民安全作出貢獻。

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