橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的重要性分析

盧 鵬

四川恒盛路橋勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川攀枝花 617000

從世界地圖上看，我國處于亞歐板塊和太平洋板塊之間，兩大板塊之間的相互擠壓非常容易造成地震，尤其是在我國的西南地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)以及東南地區(qū)，這四大地區(qū)都是非常容易受到板塊之間的擠壓影響，在近些年由于板塊擠壓形成的大小規(guī)模的地震已經(jīng)對這些地區(qū)造成了很大的影響，自從2008年汶川地震后，西南地區(qū)例如四川、重慶、貴州、云南等地已成為地震的頻發(fā)區(qū)。也正因如此，我國對防震工作有了一個全新的認(rèn)識，不斷地加強(qiáng)各個地區(qū)的防震工作。隨著我國橋梁防震意識的提高，我們認(rèn)識到在橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)技術(shù)上還存在諸多問題，為了提高橋梁在地震中的穩(wěn)定性，下面就對橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的重要性進(jìn)行分析。

1 橋梁隔震設(shè)計(jì)在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的位置

目前我國橋梁抗震設(shè)計(jì)主要分為兩類，第一類為傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，分為：（1）強(qiáng)度設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)處彈性狀態(tài)），其本質(zhì)為用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度到抵抗地震作用（硬抗）。（2）延性設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)處于非彈性狀態(tài)），其本質(zhì)為允許結(jié)構(gòu)有非彈性狀態(tài)變形，由此完成能量耗散（塑性變形耗能）。第二類為結(jié)構(gòu)控制，分為：（1）主動控制，AMD（主動調(diào)質(zhì)阻尼器）；（2）被動控制，減隔震設(shè)計(jì)（①減震耗能，如阻尼器、TMD等，適用于大跨度橋梁；②隔震設(shè)計(jì)，如疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等，適用于普通梁式橋梁）；（3）混合控制，主動控制+被動控制。

與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)相比，減隔震設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)有效、途徑合理、設(shè)計(jì)方法全面、減隔震效果全面的特點(diǎn)。特別是隔震設(shè)計(jì)，其主要適用的普通梁式橋梁占我國現(xiàn)有橋梁總量的95%以上，對其隔震效果與重要作用的研究分析就具有普適性的作用和意義。

2 橋梁隔震設(shè)計(jì)理論概述

2.1 橋梁隔震技術(shù)的原理

橋梁隔震技術(shù)就是對橋梁結(jié)構(gòu)與地基之間設(shè)置足夠安全的隔震系統(tǒng)，從而提高橋梁穩(wěn)定性的技術(shù)。主要方法是利用舒緩力將震源緩慢減小，從而使橋梁受到的震力降到最小。在現(xiàn)在的橋梁隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要是將橋梁本身的剛性程度也就是本身的承載力和橋梁所能夠承受的形變進(jìn)行相互配合，從而達(dá)到隔震效果。另外，橋梁隔震系統(tǒng)還為橋梁添加了柔性功能和阻尼裝置，間接隔開了橋梁中心結(jié)構(gòu)和地面的運(yùn)動，和地面接觸的橋梁結(jié)構(gòu)影響不到橋梁的中心結(jié)構(gòu)，這兩項(xiàng)新發(fā)明使橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了很大程度的提高。

2.2 橋梁隔震技術(shù)的特點(diǎn)

十九世紀(jì)的橋梁隔震設(shè)計(jì)主要是通過增大梁柱的尺寸，從而使梁柱和地面的接觸面積達(dá)到最大。這種方式所采用的橋梁建筑材料的剛度非常大，在實(shí)用性上底部結(jié)構(gòu)所受的震力越大，那么向上傳遞的震力相應(yīng)的也會變大，簡單來說就是“以剛治剛”。而現(xiàn)在的橋梁隔震設(shè)計(jì)采用的方式是“以柔克剛”，通過對橋梁的延展性和柔性進(jìn)行增強(qiáng)，來提高橋梁的隔震效果，這種提高橋梁隔震性能的方式相比于傳統(tǒng)的隔震方式更加的安全可靠，檢修時只需通過對橋梁底座進(jìn)行檢修，使橋梁的檢修工作更加方便，而且橋梁的材料選擇非常的廣泛，一定程度上減少了經(jīng)濟(jì)開支；更重要的是這種柔性結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用使橋梁的中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加自由，使得橋梁整體的韌性和塑造性得到大大提高，且使橋梁底部傳遞到橋梁中心結(jié)構(gòu)的震力得到了很大程度的減小，避免了橋梁中心結(jié)構(gòu)嚴(yán)重非彈性變形的發(fā)生。

2.3 橋梁隔震設(shè)計(jì)的基本原則及注意事項(xiàng)

在我國現(xiàn)在的橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁的隔震設(shè)計(jì)基本原則主要分為五大點(diǎn)：第一點(diǎn)，有一部分橋梁不適合采用隔震技術(shù)，具體的情況有：①橋梁的固有周期增長后橋梁的整體結(jié)構(gòu)能否吸收地震時所產(chǎn)生的能量。②如果隔震設(shè)計(jì)會對橋梁的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害的耦合震動效應(yīng)，這一類橋梁是不適合采用隔震技術(shù)的。③下部結(jié)構(gòu)剛度較小，橋梁基本周期較長時，不適合采用隔震技術(shù)。④支座出現(xiàn)負(fù)反力時也不不適合采用隔震技術(shù)。第二點(diǎn)，對橋梁使用隔震系統(tǒng)時，橋梁上部結(jié)構(gòu)在地震時受到震動不應(yīng)對橋梁的整體造成影響，上部結(jié)構(gòu)在地震后會產(chǎn)生相對的位移，因此在地震后，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對隔震裝置的修補(bǔ)和完善。第三點(diǎn)，隔震技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，隔震性能要高于常規(guī)設(shè)計(jì)的隔震性能。第四點(diǎn)，橋梁建設(shè)地基的選擇，隔震設(shè)計(jì)只能夠應(yīng)用于地基比較堅(jiān)實(shí)的橋梁設(shè)計(jì)中，而在一些地基較為柔弱的橋梁中，隔震設(shè)計(jì)在地震時只會對橋梁造成更大的損害。第五點(diǎn)，在條件允許的情況下，一定要選用結(jié)構(gòu)簡單的隔震裝置，并在明確規(guī)定的力學(xué)范圍內(nèi)使用。這五項(xiàng)原則在橋梁的隔震設(shè)計(jì)中一定要時刻注意，才能使橋梁的隔震效果得到提升。

另外，隔震設(shè)計(jì)的橋梁，應(yīng)滿足正常使用條件的要求，相鄰上部結(jié)構(gòu)之間須在橋臺、橋墩等處設(shè)置足夠的間隙，以滿足位移需求?；局芷谠瓌t上應(yīng)為不采用隔震裝置時基本周期的兩倍以上。計(jì)算隔震橋梁地震作用效應(yīng)時，宜取全橋模型進(jìn)行分析，并考慮伸縮裝置、支座類型及樁土聯(lián)合作用等因素的影響。 隔震設(shè)計(jì)中橋梁的附屬結(jié)構(gòu)在橋梁的抗震中同樣發(fā)揮著不可忽視的作用，這些附屬構(gòu)件和結(jié)構(gòu)主要包括限位裝置、伸縮縫、防落梁裝置等，通過對諸多震害調(diào)查的分析和動力時程分析我們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)部構(gòu)造是影響橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和隔震效果的重要方面。但當(dāng)前普遍存在的問題是大多數(shù)的設(shè)計(jì)人員會忽略細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)、將其置于次要地位，這也是由于在地震響應(yīng)的計(jì)算時附屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法較為復(fù)雜造成的。在細(xì)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)具有良好的連續(xù)性。

3 疊層鋼板隔震支座

在橋梁設(shè)計(jì)中，梁體底部可以用隔震支座提高抗震性能，現(xiàn)在橋梁的隔震支座設(shè)計(jì)中主要有五種，分別是扳式橡膠支座、高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、粘性體減震支座以及聚四氟乙烯支座，下面我們就對這五種方式分別介紹。

3.1 鉛芯橡膠支座

通過天然橡膠的支座中心插入鉛芯來提高支座本身的阻尼性能，這種支座除了能夠使橋梁的承重力得到提升之外，還能夠吸收地震引起塑性形變所產(chǎn)生的能量，使鉛芯橡膠支座受到震力后產(chǎn)生塑性形變后能夠快速恢復(fù)。鉛芯橡膠支座主要是通過調(diào)節(jié)鉛芯直徑的大小來調(diào)節(jié)支座的阻尼比，使支座具有很高的靈活性、耐久性，但需注意的是鉛芯的純度一定要高，否則會對橋梁的底座穩(wěn)定性會造成很大影響。

3.2 高阻尼橡膠支座

高阻尼橡膠支座又名HDR支座，是將天然橡膠和各種配合劑結(jié)合使用，提高支座的滯后損失，降低儲存模量，使橡膠的阻尼性能得到很大程度的提高，然后利用這種高阻尼橡膠制成的與普通橡膠支座結(jié)構(gòu)近似的一種鋼板和橡膠通過熱硫化構(gòu)成的疊加產(chǎn)品。高阻尼橡膠支座和扳式橡膠支座最大的不同之處就是不用和阻尼系統(tǒng)配合使用，本身就具有很高的阻尼比，而且這種支座的阻尼比還可以通過加入一定量的石墨來進(jìn)行調(diào)整。但是，高阻尼橡膠支座在實(shí)際應(yīng)用中的性能還不夠穩(wěn)定，還需要進(jìn)一步的研究，對其穩(wěn)定性進(jìn)行加強(qiáng)。

3.3 扳式橡膠支座

扳式橡膠支座主要是通過將多層天然橡膠和薄鋼板一層一層疊加硫化粘合而成。扳式橡膠支座在橋梁隔震中的作用非常大，主要是使橋梁的豎向剛度得以提升，在一定程度上使橋梁的承載力得到增強(qiáng)，采用扳式橡膠支座可以將橋梁中心所受到的壓力傳遞給橋梁底部，使橋梁的塑性形變提高，使橋梁的整體型變量能夠適應(yīng)震力引起的橋梁形變。還有就是扳式橡膠支座，采用的天然橡膠阻尼比本身較低，需要扳式橡膠支座在實(shí)際應(yīng)用中和阻尼系統(tǒng)配合使用。

3.4 粘性體減震支座

粘性體減震支座是通過粘形體的粘性剪切來吸收橋梁受到震動能量，設(shè)計(jì)原理就是對橋梁底座裝設(shè)減震器或減震功能的支座，粘性體減震主要是利用了介質(zhì)的粘滯性，這也是為什么叫做粘性體減震支座的主要原因。粘性體支座由支座內(nèi)箱和橋梁中心的結(jié)構(gòu)來固定，支座外箱和橋梁下部結(jié)構(gòu)固定，通過改變粘性體剪切面的大小達(dá)到調(diào)節(jié)支座性能的目的。粘性體最大的弊端就是支座結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，而且加工起來也非常困難。

3.5 聚四氟乙烯支座

這種支座的設(shè)計(jì)原理主要是通過在普通橡膠的支座上按照規(guī)定要求粘貼一層厚度為2～4mm的聚四氟乙烯，聚四氟乙烯支座也是現(xiàn)代橋梁隔震設(shè)計(jì)中最常用的一種設(shè)計(jì)方式，聚四氟乙烯支座不僅具有很高的剛度，而且塑性形變較阻尼比高，具有很好的隔震效果。

4 結(jié)語

我國的橋梁隔震設(shè)計(jì)水平已經(jīng)取得很大提高，但由于我國起步較晚，在橋梁隔震設(shè)計(jì)中依然存在一些問題，為使我國的橋梁隔震設(shè)計(jì)技術(shù)水平越來越高，我們必須對橋梁隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷的研究和改善。橋梁設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)是提高橋梁工程質(zhì)量的重要方面，我們應(yīng)當(dāng)科學(xué)地吸收和借鑒國外的一些技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，完善國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)，提高橋梁的抗震性能，使我國的橋梁設(shè)計(jì)得到更好的發(fā)展。

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