市政橋梁項(xiàng)目減隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

孫文濤，張辛未

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

為了滿足城市現(xiàn)代化建設(shè)的需要，市政橋梁建設(shè)不斷增加，用于緩解城市交通壓力，完善城市交通網(wǎng)絡(luò)。但是大型的市政橋梁項(xiàng)目由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且工程規(guī)模較大，因此保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性具有一定的難度。

文章主要分析了市政橋梁項(xiàng)目中減隔震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，希望能優(yōu)化減隔震設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)橋梁壽命，提高橋梁安全性。

1 橋梁減隔震裝置的基本原理

減隔震設(shè)計(jì)是從隔震技術(shù)逐漸發(fā)展來(lái)的，減隔震裝置的設(shè)置減少了地震能量的傳播，也大大消耗了地震能量的輸入，而且增大了結(jié)構(gòu)阻尼。橋梁減隔震系統(tǒng)主要通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、增大結(jié)構(gòu)阻尼、分散地震力三種途徑保護(hù)橋梁。加速度反應(yīng)譜如圖1所示，位移反應(yīng)譜如圖2所示。

圖1 加速度反應(yīng)譜

圖2 位移反應(yīng)譜

由圖1可知，隨著橋梁結(jié)構(gòu)周期的增加，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度減小，即結(jié)構(gòu)的慣性力減小，橋梁在地震動(dòng)作用下的受力也隨即減小。由圖2可知，減小周期、提高阻尼，可降低結(jié)構(gòu)位移，改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特性。

當(dāng)?shù)缆窐蛄菏艿降卣鹱饔茫ё袅Τ^(guò)靜摩擦力時(shí)，橋梁的上部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，再加上支座力水平力的影響，會(huì)進(jìn)行類似單擺的運(yùn)動(dòng)。單曲面摩擦擺支座主要可以分為滑動(dòng)面向上的支座和滑動(dòng)面向下的支座兩種支座形式，截面圖如圖3所示。這兩種支座形式表現(xiàn)出的力學(xué)性能相似，一般在橋梁結(jié)構(gòu)中，主要選擇滑動(dòng)面向下的支座，其能夠減小墩底彎矩的P-△效應(yīng)。通過(guò)橋梁的減隔震設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目的。

（1）減隔震設(shè)計(jì)的目的是提高橋梁的抗震能力，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。其中，要重點(diǎn)提升橋梁的抗變形能力。要想達(dá)到這種效果，可以加入一個(gè)柔性裝置來(lái)減少橋梁結(jié)構(gòu)和水平地面運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，這樣在地震發(fā)生時(shí)就能降低橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度，使其小于地面的加速度，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會(huì)損壞。

圖3 單曲面摩擦擺支座截面圖

（2）減隔震設(shè)計(jì)的第二個(gè)目的就是保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命，因此要提高隔震構(gòu)件的彈性和可塑性。例如，可以使用隔震技術(shù)將地震后橋梁下部結(jié)構(gòu)的彈性控制在合理的范圍內(nèi)，并定期對(duì)一些關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查維修，減少非彈性形變問(wèn)題。

（3）做好對(duì)橋梁的減隔震設(shè)計(jì)，能降低地震對(duì)橋梁工程的影響，從而減少橋梁的損耗，進(jìn)而延長(zhǎng)橋梁的使用年限。

2 市政橋梁項(xiàng)目減隔震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 明確應(yīng)用原則

在路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，為了增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，確保減隔震技術(shù)的有效應(yīng)用，應(yīng)用減隔震技術(shù)需要遵循以下兩個(gè)原則。

（1）抗震原則。應(yīng)用減隔震技術(shù)的最終目的是減輕地震作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，因此應(yīng)用減隔震技術(shù)時(shí)必須遵循抗震設(shè)計(jì)原則，即“小震不壞、中震可修，大震不倒”等抗震設(shè)計(jì)要求。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則。應(yīng)用減隔震技術(shù)時(shí)主要通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)提升應(yīng)用效果，因此應(yīng)用減隔震技術(shù)時(shí)必須遵循結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，科學(xué)、合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升抗震設(shè)計(jì)效果。例如，通過(guò)加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的整體延性，在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置設(shè)置塑性鉸，用以提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 合理選擇減隔震裝置

減隔震裝置的選擇對(duì)橋梁減隔震效果影響顯著，優(yōu)選減隔震裝置是提高橋梁項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)減隔震性能的有效途徑。對(duì)減隔震裝置的選擇，需要依據(jù)市政橋梁項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)際情況以及遵循相關(guān)要求規(guī)范，合理選擇層橡膠支座、互動(dòng)摩擦式支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺減隔震支座、雙曲面球星減隔震支座。不同類型的減隔震裝置的運(yùn)行原理和使用功能并不相同。常見(jiàn)的減隔震裝置有如下幾種。

（1）黏滯阻尼器。黏滯阻尼器原理上是一種耗能型設(shè)備，實(shí)物如圖4所示。黏滯阻尼器內(nèi)活塞前后運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力差，黏滯流體在壓力差作用下流入節(jié)流孔內(nèi)，這個(gè)過(guò)程裝置內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生耗能和阻尼力。在地震力的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)快速出現(xiàn)位移，黏滯阻尼器相應(yīng)發(fā)生改變，能夠有效減輕橋梁結(jié)構(gòu)的變形。黏滯阻尼器應(yīng)布置在橋邊墩中間位置、橋梁中間位置、橋梁輔助墩加勁梁的中間位置。為充分發(fā)揮黏滯阻尼器效果，可通過(guò)分析和試算，對(duì)橋梁整體抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算。

圖4 黏滯阻尼器

（2）擺式滑動(dòng)摩擦支座。擺式滑動(dòng)摩擦支座裝置是將鐘擺與滑動(dòng)摩擦支座兩個(gè)概念融合于一體的減隔震系統(tǒng)，實(shí)物如圖5所示。擺式滑動(dòng)摩擦支座的應(yīng)用有利于提升橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能以及安全可靠性。擺式滑動(dòng)摩擦支座設(shè)置有2個(gè)曲面，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，曲面間的摩擦作用能減輕地震作用力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，保障橋梁結(jié)構(gòu)可以在自重力的作用下自動(dòng)復(fù)位。

圖5 擺式滑動(dòng)摩擦支座

（3）鉛芯橡膠支座。這種減震裝飾能夠有效提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，實(shí)物如圖6所示。鉛芯橡膠支座是將鉛棒放置于板式橡膠支座的中心位置來(lái)改善橡膠支座的阻尼性能的一種支座形式，其主要通過(guò)結(jié)構(gòu)物本身的重力以及外力作用使鉛芯形成滯后阻尼的塑性變形，從而吸收地震時(shí)產(chǎn)生的大量能量；支座的橡膠部分具有彈性，能夠?yàn)檫@一減隔震裝置提供重新恢復(fù)的作用，從而使能量吸收的過(guò)程能夠持續(xù)，最終實(shí)現(xiàn)抗震減震的效果。

2.3 注重減隔震細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

圖6 鉛芯橡膠支座

對(duì)于一些大型市政橋梁項(xiàng)目，減隔震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要重點(diǎn)關(guān)注防落梁裝置、伸縮縫和限位裝置等橋梁構(gòu)件和附屬結(jié)構(gòu)。因此，要從整體上提高市政橋梁建筑工程的減隔震性能，注重結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，并選擇合理的隔震設(shè)計(jì)技術(shù)。首先，要對(duì)橋梁所在區(qū)域的地震情況與地震成因進(jìn)行調(diào)查研究，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以在一定程度上減少減隔震設(shè)計(jì)的誤差，保證市政橋梁性能。其次，相關(guān)設(shè)計(jì)人員不僅要考慮細(xì)節(jié)，還要考慮細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，提高橋梁整體協(xié)調(diào)性，從而保證市政橋梁的穩(wěn)定性和抗震性。

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要求結(jié)構(gòu)水平剛度中心與隔震層重心重合，誤差不能超過(guò)允許值。一旦偏差過(guò)大，就可能出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，且無(wú)法保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震性，影響橋梁安全性。橋梁豎向荷載參數(shù)要根據(jù)隔震裝置的豎向剛度計(jì)算，控制隔震裝置的橫向水平位移，提高橋梁結(jié)構(gòu)的靈活性，使其受到地震作用時(shí)，能夠有效對(duì)抗，從而提高抗震效果。橋梁結(jié)構(gòu)隔震層的水平剛度滿足抗震要求之后，還要適當(dāng)提高其豎向負(fù)載能力，避免在較大水平壓力作用下出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，使其受較大的地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性能得到保證，避免橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，提高行車安全。另外，橋梁結(jié)構(gòu)的隔震層裝置要有復(fù)位性能，使其結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠自動(dòng)恢復(fù)位置，降低地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，提高抗震效果?，F(xiàn)階段，我國(guó)橋梁工程的復(fù)位性尚有待提升，大部分的橋梁在受到地震作用后，需人工修復(fù)才能復(fù)位。

3 結(jié)束語(yǔ)

市政橋梁建設(shè)是城市建設(shè)工作的重要組成部分之一，對(duì)城市居民的生活質(zhì)量與水平有重要影響。在市政橋梁設(shè)計(jì)中，合理使用減隔震技術(shù)可以有效提高橋梁抗震性能。我國(guó)目前在橋梁的減隔震方面仍有很長(zhǎng)的路要走，要深入研究減隔震技術(shù)，引進(jìn)先進(jìn)的裝置及技術(shù)，優(yōu)化減隔震裝置的設(shè)置，以提高橋梁的抗震性、耐久性與安全性。