橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程減隔震技術(shù)應(yīng)用分析

文/周駿、張輝

1 前言

地震是自然界中傷害比較大的災(zāi)害事故，不僅會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生不利的影響，而且會(huì)嚴(yán)重阻礙社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無(wú)法滿足要求。為了能夠使得橋梁結(jié)構(gòu)性能符合要求，設(shè)計(jì)人員必須要結(jié)合工程的需要采用最佳的減隔震技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)的綜合性能。因此，專業(yè)人員要積極研發(fā)和應(yīng)用減隔震技術(shù)，提升橋梁結(jié)構(gòu)性能，保證工程的質(zhì)量合格。

2 減隔震技術(shù)概述

2.1 減隔震技術(shù)的概念

橋梁工程項(xiàng)目在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的過程中，減隔震技術(shù)都是極為重要的一項(xiàng)技術(shù)，能夠達(dá)到減震、隔震的標(biāo)準(zhǔn)。前者應(yīng)用的是阻尼、損耗等形式可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，保證地震出現(xiàn)后不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能下降的情況，可以有效地吸收地震能量；后者是應(yīng)用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，能夠通過緩沖的方式來(lái)吸收地震能量，防止產(chǎn)生過大的作用力情況，包含橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 減隔震技術(shù)的原理

減隔震在應(yīng)用中，要結(jié)合工程的需要設(shè)置必要的減隔震裝置，具體從下面幾點(diǎn)出發(fā)。

2.2.1 延性設(shè)計(jì)：這一方面在設(shè)計(jì)中是指采取必要的措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠應(yīng)用必要的塑性鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)抗震性能的提升。延性設(shè)計(jì)符合要求后，促進(jìn)結(jié)構(gòu)性能的提高，達(dá)到抗剪性能的標(biāo)準(zhǔn)，避免橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的問題。

2.2.2 結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)：橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要是可以利用混合控制、主動(dòng)控制、被動(dòng)控制等方式。減隔震設(shè)計(jì)階段，通常都會(huì)使用被動(dòng)控制的方式，讓結(jié)構(gòu)性能得以優(yōu)化，保證抗震效果符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 常見的減隔震裝置

3.1 鉛芯橡膠支座裝置

鉛芯橡膠支座裝置就是把一系列的鉛芯直接設(shè)置到分層的橡膠座中，組合成為穩(wěn)定的減隔震設(shè)備形式。通過鉛芯所具備的剛度性能，發(fā)揮出橡膠支座的彈性，延長(zhǎng)使用壽命，消耗地震所產(chǎn)生的能量沖擊影響。

3.2 粘滯阻尼減隔震裝置

粘滯阻尼減隔震裝置和活塞的工作原理是類似的，其主要是通過活塞運(yùn)動(dòng)之后形成壓力差，將粘滯流體直接推入到節(jié)流孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)地震能量的消耗，避免給橋梁造成巨大的損壞。該種樁柱的形式有著如下的優(yōu)勢(shì)：

3.2.1 粘滯阻尼減隔震裝置其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比較高，并且能夠承載比較大的地震力，不會(huì)導(dǎo)致橋墩的損壞。

3.2.2 沒有出現(xiàn)地震的情況之下，粘滯阻尼減震的結(jié)構(gòu)形式所存在的應(yīng)力是很小的，所以并不會(huì)造成橋梁難以正常的運(yùn)行[1]。

3.3 高阻尼橡膠支座裝置

高阻尼橡膠支座中加入了石墨、塑料、纖維等阻尼效果比較好的材料，可以更好地防止地震產(chǎn)生的不利影響。這種結(jié)構(gòu)形式的主要優(yōu)勢(shì)就是其能耗量是巨大的，可以吸收地震所產(chǎn)生的巨大能量，而不足之處就是在吸收的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致很多熱量的產(chǎn)生。

3.4 滑動(dòng)摩擦型支座

這一結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用，具體的施工材料就是聚四氟乙烯，能夠達(dá)到應(yīng)有的效果。在地震災(zāi)害出現(xiàn)之后，支撐在滑動(dòng)摩擦型支柱中的梁體摩擦力要明顯的比慣性力小，可以保證二者的滑移達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且能夠有效延長(zhǎng)其振動(dòng)周期，最終可以促進(jìn)抗震性能的提升，滿足橋梁運(yùn)行安全性的標(biāo)準(zhǔn)。

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

某橋梁項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中，采用的是變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁的形式。設(shè)計(jì)方案中確定應(yīng)用的是盆式橡膠支座減隔震的結(jié)構(gòu)形式，能夠達(dá)到橋梁的抗震效果優(yōu)化方式，采取有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式。

4.1 減隔震技術(shù)設(shè)計(jì)方法

首先是進(jìn)入到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面的勘察和分析，了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、水文狀態(tài)、地震發(fā)生特點(diǎn)等具體的狀況，然后進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而可以使得該橋梁的減隔震效果符合要求，達(dá)到橋梁的使用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)已經(jīng)確定的減隔震實(shí)施方案，在規(guī)定的隔震周期中進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)性能的計(jì)算與分析，確定最為合適的結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)，從而可以保證整個(gè)工程的減隔震方案具備可行性。為了提升減隔震處理效果和減隔震裝置的作用，做好細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)橋梁屈服早于減隔震屈服的方式[2]。

4.2 減隔震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.2.1 本次工程為B 橋梁的形式，在進(jìn)行減隔震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)該保證中震的條件下各個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)部分是彈性的形式；其次在大震發(fā)生之后，有些潛在塑性區(qū)而存在塑性的條件，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 減隔震技術(shù)在選擇中應(yīng)該考慮到該工程的具體狀況，計(jì)算確定三種減隔震方案，即板式橡膠座、鉛芯橡膠支座、盆式橡膠支座，結(jié)合實(shí)際情況選擇最佳的方式。

4.3 不同減隔震方案的固有周期計(jì)算分析

考慮到這幾種減隔震的技術(shù)方案，在工程中應(yīng)用迭代法來(lái)開展各個(gè)支座方案的固有周期計(jì)算分析。從表1中的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，原有盆式橡膠座的減震方案，能夠延長(zhǎng)橋梁的結(jié)構(gòu)固有周期，但是要比其他兩種方式差，減震效果也無(wú)法滿足要求[3]。

表1 不同類型減震技術(shù)的固有周期技術(shù)數(shù)據(jù)

4.4 中震反應(yīng)譜分析

為了能夠更進(jìn)一步地了解不同減震方案中的耗能狀況，橋梁中震的條件之下，潛在塑性區(qū)是彈性條件下，經(jīng)過深入分析，應(yīng)用的是板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座的方式。

表2 中震情況下墩底彎矩響應(yīng)數(shù)據(jù)分析

4.5 大震彈塑性時(shí)程分析

本次工程中應(yīng)用的塑性時(shí)程分析方法在大震發(fā)生之后，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移響應(yīng)狀態(tài)的分析，可見表3所示。從該表內(nèi)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)板式橡膠支座分析發(fā)現(xiàn)，鉛芯橡膠支座的橋梁可以有效減小地震力的作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好，地震發(fā)生之后也不需要進(jìn)行減隔震裝置和橋墩部分的維修。因此，該橋梁工程選擇使用鉛芯橡膠支座的方式作為減隔震形式。

表3 大震結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)分析

4.6 其他減隔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了可以讓橋梁工程的橫向變位適應(yīng)能力達(dá)到應(yīng)用的需要，可以利用工程中的梳齒型伸縮形式符合標(biāo)準(zhǔn)要求，使地震出現(xiàn)后不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的變形問題，否則將會(huì)出現(xiàn)落梁的問題。因此，在橋梁的結(jié)構(gòu)中可以通過應(yīng)用拉索式連梁結(jié)構(gòu)以達(dá)到工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

5 橋梁項(xiàng)目中減隔震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

5.1 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前我國(guó)的橋梁很多都是采用混凝土的結(jié)構(gòu)形式，除了地質(zhì)、自然等多個(gè)方面的影響因素之外，還有固定荷載的存在，也會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成比較大的影響。橋梁一般使用年限可以達(dá)到幾十年以上，出現(xiàn)老化嚴(yán)重的情況就會(huì)導(dǎo)致其防震、抗震等效果比較差。如果直接進(jìn)行橋梁工程的拆除重建，就會(huì)導(dǎo)致資金付出量大且交通受到不利的影響。為了防止在橋梁工程建設(shè)中出現(xiàn)質(zhì)量問題，在初期設(shè)計(jì)中要綜合分析多種影響因素，給后續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)條件。當(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中，通過合理應(yīng)用加鋪鋼材或者擴(kuò)大橋梁截面的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的快速發(fā)展下，橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)手段和方式逐步增多，比如纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用，能夠保證橋梁的綜合性能得以提升。

5.2 節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)成方面分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)是極為重要的傳力結(jié)構(gòu)部件，主要的作用是承載和傳遞載荷的作用，同時(shí)能夠聯(lián)系橋墩和橋梁的結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性。從某個(gè)方面分析，節(jié)點(diǎn)是橋梁項(xiàng)目中起到極為重要的作用，直接影響橋梁的穩(wěn)定性和可靠性，因此要做好強(qiáng)度與剛性的控制。當(dāng)前橋梁項(xiàng)目建設(shè)中，如果蓋梁剛度和橋梁剛度自身是比較接近的，那么在地震出現(xiàn)之后側(cè)向慣性力會(huì)給結(jié)構(gòu)造成極為嚴(yán)重的破壞性，同時(shí)節(jié)點(diǎn)部位的箍筋也會(huì)受到較大作用力的影響，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛性下降，直接威脅整體結(jié)構(gòu)性能。因此，節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)性能的提升。

5.3 “性能”抗震設(shè)計(jì)

在具體的橋梁項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從性能角度分析來(lái)做好抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，被廣泛使用到實(shí)踐中。市政橋梁項(xiàng)目中進(jìn)行減隔震方面的設(shè)計(jì)，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，首先應(yīng)該綜合分析界定橋梁的抗震性能和整體減隔震的性能?？拐鹦阅芫褪且?guī)定的有限破壞條件之下結(jié)構(gòu)或者非結(jié)構(gòu)的方面出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞性因素。從這一理論出發(fā)分析，通常來(lái)說不會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)倒塌的情況，沒有進(jìn)行修復(fù)就可以繼續(xù)使用，也不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞的情況。但是市政橋梁項(xiàng)目在進(jìn)行設(shè)計(jì)中，通過減隔震設(shè)計(jì)方案的確定，能夠有效提升抗震性能，降低橋梁運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。在提升抗震性能的基礎(chǔ)條件之上，應(yīng)該重視其抗震設(shè)計(jì)目的和效果的分析，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)技術(shù)規(guī)范來(lái)進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)方案的效果符合要求，促進(jìn)橋梁工程中減隔震綜合性能的提升，滿足橋梁運(yùn)行的安全性需要[5]。

5.4 優(yōu)選減隔震的裝置

在進(jìn)行市政橋梁項(xiàng)目的減隔震設(shè)計(jì)中，采取科學(xué)合理的措施可以促進(jìn)橋梁的減隔震性能的提升，還要結(jié)合工程的實(shí)際需要優(yōu)選減隔震的裝置，符合橋梁工程的實(shí)際應(yīng)用需要，達(dá)到性能的標(biāo)準(zhǔn)，提升橋梁工程的減隔震效果，即使發(fā)生地震之后也不會(huì)造成嚴(yán)重的損壞影響。通過合理的減隔震裝置選擇，提升減隔震裝置在應(yīng)用中的性能和標(biāo)準(zhǔn)，摩擦擺減隔震制作方式的鐘擺工作原理，通過設(shè)定的滑動(dòng)界面交互摩擦的方式來(lái)造成地震能量的消耗，從而提升其減隔震的應(yīng)用效果。鉛芯橡膠座的結(jié)構(gòu)形式是一種板式橡膠制作作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，結(jié)合自身的重力和外部作用力的影響之下讓鉛芯組合成為帶有阻尼的塑性變形的形式。此時(shí)會(huì)直接吸收掉地震所產(chǎn)地的能量，然后得到橡膠結(jié)構(gòu)部分恢復(fù)作用力，保證橋梁結(jié)構(gòu)恢復(fù)到應(yīng)有的使用效果。

此外，在具體的橋梁項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，上述這些減隔震裝置的應(yīng)用都不是獨(dú)立進(jìn)行的，不同的裝置之間能夠進(jìn)行相互配合與利用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效地促進(jìn)橋梁工程項(xiàng)目減隔震效果的提升，保證橋梁的應(yīng)用性能滿足要求。比如，在減隔震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過合理的應(yīng)用阻尼器與分層橡膠支座的方式，或者是應(yīng)用阻尼器、橡膠支座、滑動(dòng)摩擦支座等聯(lián)合的方式，提升減隔震裝置在橋梁工程中的應(yīng)用效果和橋梁項(xiàng)目的抗震效果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了能夠促進(jìn)橋梁抗震性能的提升，設(shè)計(jì)人員在橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)選擇各種形式的減隔震技術(shù)。但是在具體的實(shí)際操作中依然有很多問題無(wú)法保證，導(dǎo)致減隔震的裝置無(wú)法達(dá)到使用的需要。因此，設(shè)計(jì)中可以結(jié)合實(shí)際需要應(yīng)用減隔震結(jié)構(gòu)形式，提高技術(shù)水平，保證減隔震發(fā)揮出應(yīng)有的作用，提高抗震綜合性能，提升橋梁運(yùn)行安全性和交通運(yùn)行質(zhì)量。