分析橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的重要性

段繼祖

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032)

1 橋梁抗震措施與減隔震重要性

(1)從橋梁自身入手，提高其抗震性能，如提高樁基的強度和墩身延性。

(2)采取有效的減隔震措施，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，通過對減隔震設(shè)施的應(yīng)用使從樁基不斷傳遞到上部結(jié)構(gòu)的能量不斷耗散，或加裝隔震裝置來延長結(jié)構(gòu)的自振周期，以減小地震對結(jié)構(gòu)造成的作用及影響。

上述兩方面在現(xiàn)在最常見的梁式橋中，對應(yīng)下列兩種體系：其一，受地震作用后，使橋梁的基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)與連接體系都免遭損傷，依然處于彈性工作范圍，并利用墩身塑性鉸，隨著墩身發(fā)生的變形不斷耗散地震帶來的能量；其二，受地震作用后，在對橋梁結(jié)構(gòu)位移進行嚴(yán)格控制的前提下，使基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)免遭損傷，并處于彈性工作范圍，利用連接系統(tǒng)對地震帶來的能量予以耗散。

2 橋梁設(shè)計中常用減隔震技術(shù)

2.1 高阻尼支座

對于高阻尼支座，它可以分成以下兩種，其一，鉛鋅橡膠支座；其二，高阻尼支座。支座是對橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進行連接的重要構(gòu)件，支座受豎向荷載作用后依然十分堅固，并且還有很大的豎向剛度。然而，在水平方向上，往往剛度不足，較為柔軟。受地震荷載作用后，支座能使結(jié)構(gòu)振動周期明顯增大，起到減小地震響應(yīng)的重要作用。與此同時，因支座中的鉛芯和鋼板或橡膠和鋼板存在相互作用，所以能提供一定阻尼比，使橋梁自身地震響應(yīng)進一步減小。但與常用板式支座等對比，這種支座的高度相對較大，成本偏高，如果在橋梁工程中大量使用，無疑會增加建設(shè)成本。

2.2 摩擦擺支座

與常規(guī)支座有所不同，這種支座主要根據(jù)單擺的原理來設(shè)計。受地震荷載持續(xù)作用后，該支座中的限位裝置將被破壞，在球形表面發(fā)生運動，使橋梁的上部結(jié)構(gòu)開始單擺運動，結(jié)構(gòu)所受水平方向上的力將由耐磨板和球冠之間的摩擦來傳遞。這樣一來，可以增大結(jié)構(gòu)自身振動周期，減小地震響應(yīng)。另外，采用摩擦作用來耗能，還能更有效的減小地震響應(yīng)。但是，因這種支座主要根據(jù)單擺的原理來設(shè)計，所以只有上部結(jié)構(gòu)具有很大恒載才可以發(fā)揮理想效果。基于此，該支座目前主要使用在現(xiàn)澆及大跨徑橋梁中。此外，對支座進行安裝時，因梁底空間十分有限，所以要通過特殊設(shè)計才能將支座安裝好。

2.3 彈塑性鋼擋塊

通過對橋梁震害的分析與研究可知，當(dāng)中小跨徑的橋梁使用傳統(tǒng)板式支座時，因支座和橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生一定相對位移，所以能起到一定抗震作用，使下部結(jié)構(gòu)所受地震作用減小。然而，在設(shè)計中應(yīng)高度重視擋塊自身強度，因為如果強度不足，將在地震作用下極易破壞，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生落梁。根據(jù)該擋塊的模型可知，對擋塊和常規(guī)板式支座進行連接，可利用結(jié)構(gòu)自身非線性變形作用，使結(jié)構(gòu)的自身周期明顯增大，以此減小地震響應(yīng)。另外，因擋塊的設(shè)計十分靈活，受較強的地震作用后，對上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相對位移進行控制，能在發(fā)揮減隔震效果的基礎(chǔ)上，保證墩身延性。

3 案例分析

某公路工程總長50 km，共有38座橋梁和4處互通立交，公路所在區(qū)域為地震活動帶，地震烈度可以達到9°。本次以其中某座橋為例實施專項研究，該橋為簡支結(jié)構(gòu)，采用2×40 m+3×40 m+3×40 m的跨徑組合，墩身高度最大可達45.3 m。以上三種減隔震技術(shù)和普通支座的結(jié)構(gòu)自身周期模擬結(jié)果如表1所示。

表1 不同減隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)自振周期模擬結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，摩擦擺支座對應(yīng)的結(jié)構(gòu)自身周期比其它三種都要高。對三種減隔震技術(shù)的低階結(jié)構(gòu)自身周期進行對比，發(fā)現(xiàn)伴隨結(jié)構(gòu)連接剛度不斷減小，自振周期開始增加。另外，對塑性鋼擋塊和普通支座進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的自振周期比較接近，如果不考慮因結(jié)構(gòu)位移增大使支座破壞，則采用普通支座能發(fā)揮一定減隔震效果，此時增設(shè)鋼擋塊，能在增加連接剛度的基礎(chǔ)上，減小整體幅度，使結(jié)構(gòu)自振周期始終處于允許的范圍之內(nèi)。

除了要注重不同減隔震技術(shù)的效果，還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)位移，防止落梁等現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)模型可知，高阻尼支座和摩擦擺支座都能在完成地震輸入以后，使變形回到初始狀態(tài)，但塑性鋼擋塊和普通支座的實際復(fù)位情況相對較差。根據(jù)變形時程曲線，高阻尼支座和摩擦擺支座受地震作用后，響應(yīng)比較平緩，并在地震的輸入完成以后，可以很快的完成自由振動。然而，高阻尼支座和摩擦擺支座與塑性鋼擋塊相比，在橫橋向上的支座實際位移顯著增加，與此同時，摩擦擺支座的縱向變形明顯比其它支座大。對普通支座和塑性鋼擋塊進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在順橋向發(fā)生的變形基本保持一致，但通過對擋塊的使用，它的橫向變形比普通支座和另外兩種支座都小。

橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，從整體結(jié)構(gòu)角度講，不僅要考慮結(jié)構(gòu)自身最大結(jié)構(gòu)，而且還要對結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生的變化予以充分考慮。經(jīng)過對比，順橋向不同減隔震技術(shù)受地震作用后，受力沒有太大差別。但在橫橋向上，高阻尼支座與摩擦擺支座比塑性鋼擋塊和普通支座好。通過對塑性鋼擋塊和普通支座的對比，設(shè)置鋼擋塊以后，結(jié)構(gòu)橫向彎矩開始小幅增加。

4 結(jié)束語

綜上所述，橋梁抗震設(shè)計的重要性已經(jīng)不言而喻，無需多言，重要的是研究不同減隔震技術(shù)。以上減隔震技術(shù)各具優(yōu)劣，在橋梁抗震設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)工程的實際情況，結(jié)合現(xiàn)有施工條件，選擇適宜的減隔震技術(shù)，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范施工，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用效果，使橋梁具有良好的抗震能力。