橋梁減隔震技術(shù)要點(diǎn)研究

文/張?zhí)鞂?/p>

1 橋梁減隔震技術(shù)的重要性

橋梁對我國交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展具有重要作用，因此我們應(yīng)保證其安全穩(wěn)定性。我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，一旦發(fā)生強(qiáng)烈地震，很可能會損壞橋梁。除了造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，同時(shí)還會對災(zāi)后救援造成困擾。橋梁減隔震技術(shù)是解決此類問題的主要途徑之一，有利于促進(jìn)我國交通運(yùn)輸事業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。

2 減隔震技術(shù)原理

減隔震技術(shù)是減震與減隔震技術(shù)的總稱，主要是通過基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的調(diào)整達(dá)到抵御地震效果的技術(shù)。減震設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)彈性阻尼等手段，消耗地震力的影響，能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的目的。隔震技術(shù)使用特殊結(jié)構(gòu)，并利用震動周期原理，可以達(dá)到促進(jìn)地震能量輸出從而保證橋梁安全的目的。減隔震技術(shù)主要原理是將橋體的主要結(jié)構(gòu)與可能出現(xiàn)破壞的面層相分離，避免地震對橋梁的破壞。從能量守恒角度出發(fā)，在任意時(shí)刻減隔震技術(shù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

Ein=Eve+Ee+Ep+Ei

Ein是橋梁承受的地震總能量；Eve是橋梁所承受的動能和彈性勢能；Ee是橋梁自身隔震能量消耗；Ep是橋梁結(jié)構(gòu)的彈性變形能量消耗；Ei是正在降低減隔震技術(shù)的能耗。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，減隔震技術(shù)必須有機(jī)統(tǒng)一，從而應(yīng)對地震波對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。減隔震技術(shù)是在橋梁上施工隔振器，以此提供有效的水平柔性支撐，延長橋梁的水平周期，增加隔震效果。通過減震器使結(jié)構(gòu)變形，能夠有效減少地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。另外，橋梁結(jié)構(gòu)的減隔震技術(shù)還可以分解結(jié)構(gòu)支撐之間的地震力應(yīng)力分布，增加上層建筑對橋梁基礎(chǔ)的支撐和保護(hù)，并通過對側(cè)面剛度的調(diào)整，達(dá)到平衡扭轉(zhuǎn)的目的[1]。

3 減隔震裝置技術(shù)

橋梁減隔震裝置應(yīng)用時(shí)間較長，其使用材料和技術(shù)在近些年得到了快速的發(fā)展。不同于建筑中的減隔震裝置，橋梁裝置種類多種多樣，可以提供較廣泛的選擇。具體來說，目前常用的減隔震裝置有鉛橡膠支座、高振動橡膠支座、滑動摩擦支座、液體粘性隔震器、金屬隔震器等。

3.1 鉛橡膠支座

該支座由多層橡膠支座和高純度鉛芯組成。常規(guī)的多層橡膠主要利用垂直承載力和水平柔韌性再生力；純鉛芯對于消耗地震能量具有積極作用，其具備理想的剪切模量和塑性。所以該支座既可以滿足嚴(yán)重地震條件下的能耗需求，又可以滿足自然沖擊剛度的雙重吸收和隔震性能。

3.2 高振動橡膠支座

這種類型的支座由加入纖維、石墨的橡膠材料構(gòu)成，減隔震性能要高于普通橡膠3 倍左右。當(dāng)橋梁遭遇地震影響時(shí)，其纖維和石墨等材料在變形作用影響下會因?yàn)槟Σ翢崃縼砗纳幽?，其機(jī)械性能與普通支座相似，但隔震比更高，減震能量消耗更大。

3.3 滑動摩擦支座

滑動摩擦支座目前主要在實(shí)踐中使用PTFE 材料構(gòu)成，摩擦系數(shù)僅為0.06，更適合于中噸位支座。在發(fā)生地震的情況下，當(dāng)滑動摩擦支座中的支撐梁承受的慣性大于摩擦阻力時(shí)，梁和支座的滑動表面將滑動，進(jìn)而大大延長了橋梁的振動周期。

3.4 隔震器

由壓力缸、活塞、節(jié)流孔、粘滯隔震液等組成的液體粘滯隔震器主要通過活塞尖端的壓差將粘滯的隔震液壓過孔口，使隔震力消散目標(biāo)能量。橋梁減隔震與彈性峰值之間具有相位差，隔振器相對速度為0 且相對位移達(dá)到峰值時(shí)，其衰減作用也降到0，同時(shí)隔震器隔振裝置的相對速度和衰減力達(dá)到最大值[2]。

金屬隔震器的減震器和隔震裝置主要利用低效鋼制成的彎曲剪切減震器，該減震器利用鋼等金屬材料的彈塑性變形特性吸收地震能量。

4 減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 工程概況

某高速公路橋梁是30m+60m+30m 雙跨橋。橋的面板跨度為21.5m，橋的設(shè)計(jì)長度為1.845km。最初，計(jì)劃采用滑動摩擦支座的減隔震技術(shù)，并依據(jù)國際特大橋?qū)嵺`，設(shè)計(jì)為斜拉橋形式，通過減隔震系統(tǒng)優(yōu)化達(dá)到安全穩(wěn)定。

4.2 設(shè)計(jì)思路

通過對橋梁工程區(qū)域的水文、地震條件等分析，確定橋梁減隔震設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，依據(jù)相應(yīng)技術(shù)方案對工程設(shè)計(jì)做出最終優(yōu)化。在基本確定隔震周期的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析橋梁的抗震設(shè)計(jì)性能，然后有針對性的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后進(jìn)行隔震的設(shè)計(jì)，確定橋梁工程的技術(shù)解決方案。為了充分發(fā)揮減震器和隔板的作用，對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，并在減震器有效運(yùn)行之前防止橋接現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.3 隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該橋梁項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，其抗震設(shè)計(jì)必須確保橋梁在中等地震中的所有構(gòu)件都具有良好的彈性。在嚴(yán)重地震中，鑒于橋梁工程的實(shí)際情況，將三種減隔震技術(shù)（方案1、2、3 分別為滑動摩擦支座、鉛橡膠支座和液體粘性隔震器）進(jìn)行比較，某些潛在的塑性區(qū)域具有一定的彈性，并且結(jié)構(gòu)通常是穩(wěn)定的。

使用空間迭代法，對減隔震周期進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，結(jié)果見表1。由此可以看出，滑動摩擦支座減隔震技術(shù)明顯弱于液體粘滯隔震和鉛橡膠支座的減隔震技術(shù)，在延長橋梁結(jié)構(gòu)的自然周期方面，隔震效果不佳[3]。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)固有周期結(jié)果

為了繼續(xù)對兩種不同的減隔震技術(shù)能耗進(jìn)行比較，本文分析了在潛在塑性區(qū)的彈性狀態(tài)下橋梁地震中間位置，得出了低彎矩的結(jié)果。結(jié)果表明，液體粘度隔震器和鉛橡膠支座，水平地震力由橋梁的中間墩承受，并且其彈性也很好。

使用時(shí)間彈塑性歷史分析方法對橋梁結(jié)構(gòu)在大地震下的位移響應(yīng)進(jìn)行比較分析。鉛橡膠支座的減震隔震器的設(shè)計(jì)要比液體粘性隔震器的設(shè)計(jì)消耗更多的地震作用力，并且其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在大地震后無須更換和維護(hù)橋墩。因此，該橋梁項(xiàng)目選擇了鉛橡膠支座的最終形式。

為了提高橋梁結(jié)構(gòu)適應(yīng)橫向位移的能力，橋梁還使用了模塊化的肩部擴(kuò)張裝置。為了防止由于地震引起梁的位移和變形以及梁的坍塌，使用電纜式的減隔震裝置[4]。

5 減隔震技術(shù)的缺陷與對策

5.1 技術(shù)缺陷

如果橋梁在建設(shè)中存在地基不穩(wěn)的情況，那么在擴(kuò)建時(shí)就應(yīng)注意共振的問題，且其不適用減隔震技術(shù)。在進(jìn)行減隔震技術(shù)施工前，要充分對其安全與適用性進(jìn)行論證。依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對橋梁使用減隔震技術(shù)必須具備下列條件之一：

5.1.1 減隔震設(shè)計(jì)中必須針對高頻率地震波。

5.1.2 減隔震技術(shù)適用于高延展性的形狀不規(guī)則橋梁。

5.1.3 設(shè)計(jì)的地角應(yīng)具有高位移頻率和長期低能量含量，以進(jìn)行隔震。

目前，還沒有對內(nèi)部隔震橋裝置進(jìn)行過地震檢查，且該設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性尚待確認(rèn)。另外，我國在橋梁的抗震設(shè)計(jì)中缺乏適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，特別是在這一領(lǐng)域，尚無規(guī)范橋梁減隔震裝置效果自然性能的指導(dǎo)文件。

5.2 應(yīng)對策略

我國應(yīng)依據(jù)過往對橋梁減隔震設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，不斷完善橋梁減隔震法律法規(guī)，深入規(guī)范減隔震裝置設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要對減隔震裝置在使用前進(jìn)行科學(xué)的論證，在充分了解各裝置適用范圍的基礎(chǔ)上，依據(jù)工程地區(qū)實(shí)際情況選擇合適減隔震裝置。另外，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)的科學(xué)性和實(shí)用性，在設(shè)計(jì)隔震橋梁之前還要先采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行建模分析[5]。

6 結(jié)語

地震會對社會經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，威脅到人們的生活安全。減隔震技術(shù)的正確應(yīng)用對于保護(hù)橋梁在地震中的受力安全具有重要作用，其可以很好地消解地震力，提升橋梁自身結(jié)構(gòu)安全。通過以上的論述，我們了解了不同的減隔震裝置對于橋梁免受地震影響的作用。因此，前期設(shè)計(jì)階段，我們必須將科學(xué)合理的隔震裝置選擇與實(shí)際工程橋梁相結(jié)合，并通過提高精確設(shè)計(jì)來不斷改進(jìn)橋梁的抗震性能。