橋梁隔震設(shè)計研究

葉超

（中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210014）

橋梁隔震設(shè)計研究

葉超

（中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210014）

首先分析了橋梁工程震害，然后概述了橋梁隔震設(shè)計的技術(shù)原理和原則，進(jìn)而詳細(xì)論述了橋梁隔震設(shè)計的具體做法，以期為橋梁工程隔震設(shè)計工作的實施開展和增強橋梁整體抗震性能提供合理的參考。

橋梁結(jié)構(gòu)；隔震；設(shè)計研究

0 引言

近年來的地震災(zāi)害經(jīng)驗表明，隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)在整個城市生命線抗震防災(zāi)系統(tǒng)中越來越重要。地震均給當(dāng)?shù)氐慕煌ňW(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。因此客觀上要求橋梁抗震效能的增強與改善。橋梁設(shè)計中的隔震設(shè)計是建設(shè)橋梁過程中一個非常重要的措施，加強對隔震設(shè)計應(yīng)用的研究，有利于提升橋梁工程的質(zhì)量。在此期間，各國地震工作者與結(jié)構(gòu)工程師對橋梁結(jié)構(gòu)抗震展開了大量的研究，都在修改或制定新的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范。主要結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法包括動力概念設(shè)計、強度設(shè)計、位移設(shè)計、延性設(shè)計、減隔震設(shè)計等。重視并做好橋梁設(shè)計中的隔震設(shè)計至關(guān)重要，對維護(hù)社會穩(wěn)定具有重要意義。由此可見，橋梁在城市發(fā)展中的作用日益顯現(xiàn)和提高，本文對市政橋梁設(shè)計中的防震設(shè)計進(jìn)行了分析探討[1]。

1 橋梁工程震害分析

調(diào)查與分析橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因是建立正確的抗震設(shè)計方法，采取有效抗震措施的科學(xué)依據(jù)。橋梁的震害主要表現(xiàn)為：（1）上部結(jié)構(gòu)的破壞：橋梁上部結(jié)構(gòu)本身遭受震害而被毀壞的情形比較少見，往往是由于橋梁結(jié)構(gòu)其他部位的毀壞而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的破壞；（2）支承連接部位的震害：橋梁支承連接部位的震害極為常見。由于支承連接部位的破壞會引起力的傳遞方式的變化，從而對結(jié)構(gòu)其他部位的抗震產(chǎn)生影響，進(jìn)一步加重震害。在我國海城、唐山地震中，就有不少支座破壞以及連接措施不當(dāng)引起落梁的例子[2]；（3）下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的震害：下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的主要原因。除了地基毀壞的情況，橋梁墩臺和基礎(chǔ)的震害是由于受到較大的水平地震力，瞬時反復(fù)振動在相對薄弱的截面產(chǎn)生破壞而引起的。從大量震害實例來看，比較高柔的橋墩多為彎曲型破壞，矮粗的橋墩多為剪切型，介于兩者之間的則為混合型。

通過對橋梁震害的進(jìn)一步分析，可以將橋梁震害的起因分為以下幾類：（1）由于砂土液化，地基下沉，岸坡滑移或開裂而引起基礎(chǔ)的破壞，從而導(dǎo)致橋梁的倒塌。因此，在選擇路線和橋位時，應(yīng)繞避對抗震不利或危險的地段。（2）因橋梁結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造或連接措施不當(dāng)而引起落梁等震害。在1994年美國的Nor t hri dge地震和1995年日本的阪神地震中,用逐跨施工法修建的連續(xù)高架橋損壞特別嚴(yán)重。由于這種連續(xù)高架橋的結(jié)合部常設(shè)在跨內(nèi)彎矩較小處，結(jié)合部主要傳遞剪力，構(gòu)造簡單，但牛腿太短，支承面過窄，在強烈的地震豎向和水平作用下，結(jié)合部損壞，使結(jié)構(gòu)處于長懸臂狀態(tài)，產(chǎn)生斷裂而塌落。這些震害給我們的啟示是：一定要進(jìn)行正確的概念設(shè)計，避免使用先天不良的抗震結(jié)構(gòu)體系。而大量因局部構(gòu)造或連接措施不當(dāng)而造成的震害實例則一再告誡我們要重視構(gòu)造和連接措施的設(shè)計。（3）橋梁墩柱本身抗震能力不足引起的破壞，包括強度和延性的不足。在歷次大震中，大量鋼筋混凝土墩柱的嚴(yán)重破壞主要是由于本身的抗剪強度和彎曲延性不足引起的。

總之，要重視橋梁結(jié)構(gòu)動力概念設(shè)計，選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系；要重視延性抗震，用能力設(shè)計思想進(jìn)行抗震設(shè)計；要重視支承連接部位的設(shè)計；要重視采用減、隔震措施提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2 橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的原理與原則

2.1 隔震設(shè)計原理

減震、隔震技術(shù)是簡便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的工程抗震手段。隔震設(shè)計以阻隔地震對橋梁的沖擊為目的，以此來減弱地震對橋梁結(jié)構(gòu)的損壞。隔震設(shè)計的基本原理是在橋梁結(jié)構(gòu)中增加柔性支柱，減弱橋梁各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性，提高橋梁反應(yīng)加速度，消耗地震攜帶的巨大能量，從而達(dá)到降低地震對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊與破壞目的。與橋梁設(shè)計中的阻尼設(shè)計目標(biāo)相同，隔震設(shè)計亦是以最大限度消耗地震攜帶能量，延長構(gòu)件耐久性為目標(biāo)，這就要求對橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計時，要保證每個構(gòu)件都具有良好的彈性和可塑性，充分考慮地震后橋梁的結(jié)構(gòu)變形問題。減震是利用特制減震構(gòu)件或裝置，使之在強震時率先進(jìn)入塑性區(qū)，產(chǎn)生大阻尼，大量消耗進(jìn)入結(jié)構(gòu)體系的能量；而隔震則是利用隔震體系，設(shè)法阻止地震能量進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)。在實踐中，有時把這兩種體系合二為一。結(jié)構(gòu)控制理論的引入，實際上是結(jié)構(gòu)減震、隔震技術(shù)的延伸與擴展。通過選擇適當(dāng)?shù)臏p、隔震裝置與設(shè)置位置，可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與大小的目的[3]。

2.2 隔震設(shè)計原則

為了保證延性隔震設(shè)計的安全性，必須進(jìn)行抗震能力驗算。目前，延性抗震驗算所采用的破壞準(zhǔn)則主要有：強度破壞準(zhǔn)則、延性破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則、基于低周疲勞特征的破壞準(zhǔn)則，以及用最大變形和滯回耗能來表達(dá)的雙重指標(biāo)破壞準(zhǔn)則等。各種破壞準(zhǔn)則均有它的適用范圍。其中，強度破壞準(zhǔn)則對于非延性破壞是實用的、有效的；延性破壞準(zhǔn)則是目前國內(nèi)外的一些規(guī)范進(jìn)行延性抗震驗算的主要形式；而能量破壞準(zhǔn)則，基于低周疲勞特征的破壞準(zhǔn)則以及雙重指標(biāo)破壞準(zhǔn)則還需進(jìn)一步研究才能用于橋梁的抗震設(shè)計驗算。因此，對于鋼筋混凝土墩柱，可以用強度破壞準(zhǔn)則驗算抗剪強度，而用延性破壞準(zhǔn)則驗算彎曲延性能力。

3 橋梁隔震設(shè)計的具體做法

在橋梁設(shè)計中，需要綜合分析影響橋梁設(shè)計的因素，并選擇最優(yōu)的橋梁設(shè)計方案。在橋梁結(jié)構(gòu)中，墩臺與梁體之間一般都是由支座進(jìn)行連接，支座的連接方式對橋梁本身的動力特性具有較大的影響，在兩者之間加裝柔性支承和能量耗散裝置，能夠降低橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。彈性支座隔震體系是目前最簡單的隔震方法。其中，普通板式橡膠支座構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定，已在橋梁中廣泛應(yīng)用。普通板式橡膠支座主要是通過增大結(jié)構(gòu)的周期來達(dá)到減、隔震的目的，本身并無顯著的阻尼性能。因此，出現(xiàn)了通過特殊合成的高阻尼橡膠、鉛芯、鋼板等具有耗能裝置的支座，具體介紹如下。

3.1 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座是是新西蘭學(xué)者在1975年發(fā)明的，是目前解決中、短跨度橋梁結(jié)構(gòu)抗震問題最為簡單且有效的一種方法。由于鉛的屈服應(yīng)力較低、滯回曲線豐滿，具有良好的滯回特性。加之在變形停頓期間可以恢復(fù)原有的特性，從而使之成為一種較好的阻尼器。這種支座最為突出的特點是構(gòu)造簡單、制作方便、價格低廉，在很多橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中得到了應(yīng)用。鉛芯橡膠支座構(gòu)造簡單，能夠提供較大的阻尼，可以單獨作為橋梁支座使用，目前在新西蘭、美國、日本等國已被廣泛使用。

3.2 聚四氟乙烯滑動支座

聚四氟乙烯滑動支座，也叫PTFE支座。它是一種柔性支座，主要是利用PTFE摩擦系數(shù)小的特點，將其粘貼在支座表面上，并在梁底支撐處設(shè)置不銹鋼板，使其可在支座表面滑動，以滿足較大橫向位移的要求。這種支座在跨度較大的橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛。該支座隔震的優(yōu)點是對輸入地震波頻率特性不敏感。PTFE支座能有效地通過聚四氟乙烯和鋼板間的摩擦耗能，對減小內(nèi)力反應(yīng)有顯著的效果，而且其效果對輸入地震波的頻譜特性不敏感，但由于它不能提供恢復(fù)力，常常會使梁體與墩、臺之間的相對位移過大。因此，PTFE支座最好能與阻尼器或防止落梁的裝置配套使用。為了解決滑動隔震系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)與滑動裝置之間位移過大的問題，不少學(xué)者又研制了幾種能提供恢復(fù)力的滑動支座，如摩擦擺支座、R-FBI支座、TASS支座等。

3.3 疊層橡膠支座

疊層橡膠支座主要是由兩部分組成：即橡膠片和鋼板。由于鋼板對橡膠片的橫向變形產(chǎn)生了約束作用，從而使疊層橡膠墊具有了較大的豎向剛度。同時因鋼板對橡膠的剪切變形影響較小，使橡膠本身所固有的柔韌性得到了保障。相關(guān)研究結(jié)果表明，橡膠支座的力-位移滯回曲線是狹長的，在具體設(shè)計中可用線性來代替。因橡膠支座能夠增強橋梁結(jié)構(gòu)的柔性，這樣可以進(jìn)一步延長結(jié)構(gòu)的周期，進(jìn)而達(dá)到減震的效果。但這種支座也存在一定的不足之處，即在減小墩臺受地震荷載的同時，增加了梁體與墩臺間的相對位移，因此使該裝置的應(yīng)用受到了一定的局限。

4 結(jié)語

綜上所述，震害是影響橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和橋梁服務(wù)功能的嚴(yán)重災(zāi)害類型，由此可見，橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計研究的重要性和必要性是顯而易見的。只有對橋梁采用隔震技術(shù)，實施隔震設(shè)計，橋梁結(jié)構(gòu)承載能力與抗變形能力才能得到有效提升，才能減少地震等災(zāi)害帶來的損失。雖然目前我國隔震設(shè)計理論與技術(shù)研發(fā)尚不夠成熟，但隨著研究工作的不斷進(jìn)行，在隔震設(shè)計中，通過對隔震裝置和相關(guān)附屬構(gòu)件的設(shè)計，隔震技術(shù)在實踐中的不斷應(yīng)用，可以有效改善橋梁的受力情況，減少震害對橋梁的沖擊，從而有效提升橋梁的穩(wěn)定性和安全性，對便利交通和提高運輸效率具有重要意義。

[1] 代曉芳.市政橋梁設(shè)計中的減隔震設(shè)計研究[J].工程技術(shù),2015(9):81.

[2] 劉勝男,劉少飛,孫緒利.淺析隔震設(shè)計在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2014(23).

[3] 左自偉,袁智.隔震設(shè)計在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016(7):72-73.

U442.5+5

A

1009-7716（2017）11-0088-02

2017-07-05

葉超（1985-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.025