基于減隔震技術在橋梁結構中的應用研究

宋文鋒（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶　400042）

基于減隔震技術在橋梁結構中的應用研究

宋文鋒
（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶400042）

摘要：本文通過對減隔震的技術原理、減隔震裝置的力學特性、橋梁結構的震害及減隔震技術在橋梁工程中的應用研究進行了系統(tǒng)的分析和總結，對提高橋梁整體抗震性能及使用壽命具有重要的工程意義，為橋梁結構的抗震設計提供參考。

關鍵詞：減隔震技術；減隔震裝置；力學特性；橋梁結構；應用研究

一、引言

由于破壞橋梁結構穩(wěn)定的最主要因素是地震中的振動荷載，輕則使橋梁產(chǎn)生裂縫，地基形變、失去效用，重則使橋梁結構整體破壞，同時橋梁結構垮塌，失去交通功能的作用。根據(jù)減隔震技術原理、減隔震裝置的力學特性及橋梁結構的震害分析可知，減隔震技術可以大大降低橋梁結構在地震中的破壞風險，同時在世界范圍內得到廣泛運用和認可。減震技術利用阻尼和耗能構件改善了橋梁結構的性能，在很大程度上損耗了地震力的能量，使地震力傳送到橋梁結構的力大大減少，起到減震作用。

隔震技術具有震動周期，將變形隔離在隔震裝置中，大大緩沖了荷載，減輕了震動的破壞力，同時減隔震技術除了降低振動荷載對橋梁造成的破壞反應，還能降低工程成本。

二、減隔震技術的原理及設計原則

減隔震作用的實現(xiàn)是通過間隔震裝置來實現(xiàn)，這種裝置可以分散地震帶來的荷載作用，將橋梁結構與破壞該結構的能量隔離，并通過延長結構周期減少影響結構的地震能量，但是周期的延長也會增加結構的位移量。

對質性較軟的結構而言，正常使用荷載結構很可能產(chǎn)生有害震動，為避免這樣的情況，可以通過置入阻尼來吸收一些地震能量，保護結構。根據(jù)能量公式可知：

Ein=Eve+Ec+Ep+Ei。

式中：Ein為地震傳入到結構的能量；

Eve為結構的動能與彈性勢能之和；

Ec為結構的自身阻尼耗能；

Ep為結構的彈塑性變形耗能；

Ei為減隔震裝置的耗能。

由于減隔震裝置相比于橋梁結構能更早塑性其自身消耗了大部分地震傳入的能量，從而大大減少了結構需要消耗的能量，從而達到了保護結構的作用。間隔震裝置的設計需要滿足以下三種原則：（1）抗震設計原則，橋梁結構在小型地震后，結構基本不會受到損害，不影響橋梁使用，橋梁結構處于彈性工作階段；中型地震后，橋梁結構可以有一定程度的損壞，經(jīng)過修復后不影響橋梁使用，結構可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，處于非彈性工作階段；大型地震后，橋梁結構的損害不至于坍塌，經(jīng)過修復工作可恢復部分功能，結構處于彈塑性階段。（2）結構優(yōu)化的原則，橋梁結構需按延性設計，在適當位置設置塑性鉸或構建強度設計的基礎增強延性能力，保障結構的整體性。（3）以結構力學為基礎，采用能力設計方法，由于受工程投資的限制，橋梁設計允許橋梁在承受地震荷載發(fā)生變形，導致構件強度不能夠評價結構延性。因此，該設計方法是針對結構變形和構件所發(fā)生的應變，能有效地對橋梁結構變形進行控制，并提高結構的穩(wěn)定性。

三、減隔震技術的分類

（1）粘滯阻尼器

減隔震技術主要工作原理是延長橋梁結構周期性的方法，對地震的能量進行不斷的消耗和減弱，最終提高了橋梁結構的抗震性能。粘滯阻尼器作為減隔震技術中的一種，與支座減隔震設備的區(qū)別在于耗能方式的不同。粘滯阻尼器的基本工作原理是通過阻尼耗能的方式，來避免橋梁結構的不必要的耗能。粘滯阻尼器主要是依據(jù)流體運動的原理進行設計，當一種流體經(jīng)過節(jié)流孔時，會在一定程度上產(chǎn)生一些粘滯阻力，基于此，在地震來臨時，粘滯阻尼器就像一個“安全氣囊”，在最大限度內對地震可能對橋梁結構造成的沖擊能力進行吸收和消耗，最終保護橋梁結構的安全，最大程度的降低損失。因此，粘滯阻尼器在橋梁領域已廣泛應用。

粘滯阻尼器的基本公式是：F=CVa，其中F代表阻尼力，C代表阻尼系數(shù)，a代表的速度的指數(shù)。當速度指數(shù)如果越小，阻尼器的耗能就會越大，但并不是最小的速度指數(shù)就是結構的最優(yōu)狀態(tài)，速度指數(shù)是需要根據(jù)實際情況進行調整的。當速度指數(shù)的數(shù)值為1時的阻尼器稱為線性阻尼器；同理，當速度指數(shù)不等于1時的阻尼器稱為非線性阻尼器。

（2）減隔震支座

減隔震支座主要有擺式滑動摩擦支座和鉛芯橡膠隔震支座兩種形式，其中擺式滑動摩擦支座的工作原理主要是利用鐘擺原理和滑動摩擦原理，利用擺式滑動摩擦控制橫向擺動，當滑動摩擦隔震原理是滑動結構摩擦較小時，靜摩阻力可以阻止結構滑動，確保結構穩(wěn)定；鐘擺原理則是將鐘擺結構的滑動面設計成曲面，滑動面的摩擦可以有效減損地震的能量。

鉛芯橡膠支座的工作原理是將鉛芯放入分層橡膠支座，二者結合緩沖震動荷載，保護橋梁結構安全，由于鉛芯需要在孔中緊固，因此鉛芯的體積會比中心孔的體積要大一些，導致鉛芯能夠稍微的擠進橡膠層中，同時鉛芯具有良好的彈塑性能和屈服應力低的特點，所以具有良好的抗疲勞性能，在地震的過程中消耗一定的地震能量，確保橋梁結構安全。

四、減隔震技術在橋梁工程中的應用研究

（1）擺式滑動摩擦支座

由于擺式滑動摩擦支座的平面尺寸由于位移量和結構曲率的改變將產(chǎn)生一定的變化，因此，擺式滑動摩擦支座設計周期固定，在較長周期的脈沖型地震波作用下與隔震結構產(chǎn)生低頻共振，影響其減震隔震的效果。由于擺式滑動摩擦支座的滑動為球面函數(shù)，當曲率半徑R在整個滑動區(qū)域中滑動，當曲率半徑隨滑動區(qū)域改變時，隔震周期就會隨著位移的變化而改變，可有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。但考慮到支座的位移和滑動面的曲率，擺式滑動摩擦支座尺寸較大，空間要求高。

（2）粘滯阻尼器

粘滯阻尼器在橋梁的抗震、加固上的確具有十分顯著的優(yōu)越性，其優(yōu)點主要體現(xiàn)以下兩方面：

①彈塑性阻尼器和摩擦性阻尼器的屈服力或摩擦力固定不變，當橋墩的變形達到峰值，屈服力也到達這個常值，但粘滯阻尼器的力是可變的，力與橋墩的變形成反比，橋墩的變形最大，阻尼最小，趨近于零，如果阻尼器的參數(shù)為零，阻尼力達到最大，橋墩的變形最小。

②當溫度改變時，彈塑性阻尼器裝置和摩擦性阻尼器裝置必須克服阻尼力或者摩擦力才能變形，該過程中將會對橋梁施加外力，對其結構的穩(wěn)定有危害；但粘滯阻尼器溫度變形時，基本不需要克服阻尼力或者摩擦力就可以自由的變形，對橋梁結構不會產(chǎn)生破壞，同時粘滯性阻尼器的恢復力很強，彈塑性阻尼器裝置與摩擦性阻尼器裝置在巨大的震動荷載下產(chǎn)生的形變不可自行恢復。因此粘滯性阻尼器受溫度和橋墩的形變的約束并不大，有利于保障結構的安全。

（3）鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座也是一種良好的減震隔震裝置，其優(yōu)點是適用范圍廣，同時鉛芯材料也具備優(yōu)良的力學性能，具有較低的屈服剪應力和較高的彈塑性與抗疲勞性，因此該支座，在結構基本周期不超過1.25s時，都可以實現(xiàn)減震隔震效果。但它也存在一定的局限性，當結構在脈沖型地震波或場地較軟時，該支座的減震水平不能充分發(fā)揮，同時產(chǎn)生很大水平位移。

結語

隨著交通建設的快速發(fā)展，橋梁結構的安全性、耐久性變得越來越重要，因此，根據(jù)橋梁結構的力學特點，選擇適合的減隔震裝置，增強橋梁結構的抗震性及使用壽命具有重要的工程意義。

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[2]王淑濤，劉兆光，胡盛.減隔震技術在人跨度預應力混凝土連續(xù)梁橋設計中的應用[J].公路，2011（07）.

[3]蔣建軍，李建中，范立礎.橋梁板式橡膠支座與粘滯阻尼器組合使用的減震性能研究[J].公路交通科技，2004，22 （08）：44-48.

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A