橋梁設(shè)計(jì)中的隔震要點(diǎn)分析

侯淞譯、劉潛、胡子恒

（1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430056；2.文華學(xué)院，湖北武漢430073）

0 引言

在自然災(zāi)害中，地震是較為常見的，所以目前世界各國都非常重視工程中的防震建設(shè)，這其中就包括橋梁工程。想要切實(shí)提升橋梁工程的抗震性能，就必須重視橋梁工程設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)，因此對于橋梁工程設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析有著重要的意義。

1 橋梁設(shè)計(jì)過程中隔震設(shè)計(jì)的重要意義

在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用正確的隔震辦法，能夠大幅度提升橋梁的抗震效果，將地震對橋梁工程帶來的傷害通過物理阻斷的方式降到最低。在近些年的橋梁工程發(fā)展過程中，西方很多國家在隔震設(shè)計(jì)與技術(shù)上取得了先進(jìn)的科研成果，但中國在橋梁工程設(shè)計(jì)中的隔震技術(shù)和世界先進(jìn)水平仍然存在一定的差距。因此，在隔震技術(shù)與隔震設(shè)計(jì)的應(yīng)用方面，可以借鑒和吸收國外先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，提高我國橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過在隔震設(shè)計(jì)中加入隔震支座以及減少橋梁結(jié)構(gòu)不均衡配置等方式，保證橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的抗震效果。在地震過后，可以通過更換其中的隔震裝置進(jìn)行橋梁工程的維護(hù)，降低后期維護(hù)的成本，有效減少地震對橋梁結(jié)構(gòu)的傷害以及給社會帶來的經(jīng)濟(jì)損失。橋梁支座是橋梁工程的重要組成部分，能夠承擔(dān)很大的豎向荷載，是在橋梁工程中連接橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋梁下部支柱結(jié)構(gòu)的重要連接構(gòu)件，能夠有效的承載和連接橋梁的上下部分結(jié)構(gòu)。在橋梁工程設(shè)計(jì)中對防震技術(shù)的應(yīng)用方面，除了提高橋梁結(jié)構(gòu)主體的施工材料硬度，主要的隔震設(shè)計(jì)以及防震的改進(jìn)方向是在于對其支座的改進(jìn)。通過有效的設(shè)計(jì)，支座在水平方向上可以相對柔軟的連接上下部分結(jié)構(gòu)，并增大橋梁主體在遭受地震時結(jié)構(gòu)主體的振動周期，從而減小地震對橋梁工程主體的影響[1]。

2 橋梁工程隔震技術(shù)原理與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 隔震技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的原理

隔震技術(shù)作為一種新技術(shù)，與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)相比，具有成本更低且更加便捷的特點(diǎn)。以往傳統(tǒng)橋梁工程設(shè)計(jì)的防震技術(shù)是通過提高橋梁主體的強(qiáng)度來抵御震動帶來的傷害，現(xiàn)代橋梁工程中隔震設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是在橋梁工程設(shè)計(jì)中加入了柔性裝置，可以有效減少橋梁在地面發(fā)生運(yùn)動時共振的關(guān)聯(lián)性，從而減少地震中地面的振動對橋梁結(jié)構(gòu)造成的巨大損壞。由于在橋梁的上下部分之間加入了柔性裝置的阻尼設(shè)計(jì)，因此能夠有效地吸收地震帶給橋梁結(jié)構(gòu)的能量，地震時發(fā)生的振動通過柔性的阻尼裝置傳遞到橋梁主體結(jié)構(gòu)時，已經(jīng)被很大程度地減少和吸收，從而有效減少和避免了地震對橋梁工程帶來的損傷[2]。

2.2 隔震技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)上的應(yīng)用優(yōu)勢與特點(diǎn)

隔震技術(shù)在橋梁工程中能夠明顯的減少地震等自然災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)帶來的影響和損壞，有效的增加橋梁主體的使用壽命。實(shí)際應(yīng)用的表現(xiàn)中，隔震技術(shù)的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)橋梁工程中的抗震技術(shù)，橋梁工程上部結(jié)構(gòu)中的隔震裝置能夠有效的減少甚至避免橋梁下部結(jié)構(gòu)不正常而向上的傳遞。與此同時，隔震技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用降低了工程的建筑施工成本，對于我國道路工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。

2.3 橋梁工程設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

在橋梁工程的隔震設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工程實(shí)際狀況進(jìn)行現(xiàn)場勘察，確定此項(xiàng)目工程的施工地段是否適合采用隔震設(shè)計(jì)，以及在使用過程中能否可以有效的、可持續(xù)性回收地震能量。對于部分不適合隔震設(shè)計(jì)的工程不能盲目的對其增加防震措施。要保證采用隔震設(shè)計(jì)橋梁的抗震性能明顯優(yōu)于沒有采用隔震設(shè)計(jì)的普通橋梁建筑。一旦發(fā)生地震，即便橋梁外觀沒有遭受到明顯的損毀，但橋梁上部結(jié)構(gòu)會在地震后產(chǎn)生不同程度的位置偏移，這對于橋梁后期的使用功能會造成嚴(yán)重的影響，對橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性也會造成巨大的威脅，因此，對于橋梁工程中的隔震裝置，在地震以后需要對其進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)與保養(yǎng)，對受損的構(gòu)件以及部位進(jìn)行及時的修補(bǔ)與更換，以保證隔震裝置在橋梁工程設(shè)計(jì)中長久的發(fā)揮其抗震作用。在橋梁工程的隔震設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)師在確保隔震裝置穩(wěn)定性能的前提下，要盡可能采用簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證橋梁工程防震裝置在后期的檢修與維護(hù)中，能夠利用更少的成本、更快捷的作業(yè)完成后期的維修與保養(yǎng)工作[4]。

3 橋梁工程設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 隔震的優(yōu)化設(shè)計(jì)

橋梁工程項(xiàng)目當(dāng)中的隔震設(shè)計(jì)一般是由多種設(shè)計(jì)共同組建而成，在隔震技術(shù)中較為常見的是彈性反映譜法，雖然世界各地對此法的要求有所不同，但總體要求水平幾乎一致，因此在橋梁工程的隔震技術(shù)領(lǐng)域可以作為比較統(tǒng)一的設(shè)計(jì)手段。彈性反映譜法的優(yōu)勢在于其計(jì)算難度相對較小，也適用于我國現(xiàn)階段的規(guī)范計(jì)算手段，但是在橋梁設(shè)計(jì)中的隔震領(lǐng)域至今還沒有一個具體的應(yīng)用，所以在橋梁工程隔震設(shè)計(jì)中，如果使用彈性反應(yīng)譜法開展工作，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及工程的實(shí)際狀況，進(jìn)行橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的推算，對于推算的結(jié)果需要進(jìn)行反復(fù)的論證和檢查，保證其滿足橋梁隔震設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。

3.2 細(xì)部構(gòu)造的隔震探析

橋梁工程大體分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及附屬結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中尤其需要注意附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。附屬結(jié)構(gòu)中的防落梁裝置、限位裝置以及伸縮縫等構(gòu)件的協(xié)調(diào)配合能夠有效的發(fā)揮抗震作用，附屬結(jié)構(gòu)的良好運(yùn)行直接影響到橋梁整體工程結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)師在對工程的隔震設(shè)計(jì)中，不單需要考慮到隔震構(gòu)件的應(yīng)用，還應(yīng)該對附屬結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部連接進(jìn)行充分的考量，保證附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的連接具備良好的連續(xù)性，以保證附屬結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)件能夠在整體隔震裝置中發(fā)揮良好作用[5]。

3.3 遵循隔震技術(shù)原理

隔震技術(shù)指的是新型抗震形式，其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于對橋梁所受到的地震損害進(jìn)行降低，盡可能地避免橋梁構(gòu)造受到損壞。在橋梁隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)律來加強(qiáng)構(gòu)造的總體應(yīng)力和變形水平，從而對橋梁抗震作用進(jìn)行有效的優(yōu)化。相比于傳統(tǒng)的技術(shù)而言，橋梁隔震設(shè)計(jì)中加入了軟性裝備的設(shè)計(jì)內(nèi)容，對橋梁核心構(gòu)造的要件進(jìn)行強(qiáng)化，避免橋梁受到損壞，使得橋梁構(gòu)造的可靠程度能夠得到切實(shí)的提高。

4 常見的橋梁工程隔震技術(shù)探析

在橋梁工程的隔震設(shè)計(jì)中，有高阻尼支座隔震技術(shù)、摩擦擺支座技術(shù)、滑動摩擦支座技術(shù)，其中被廣泛應(yīng)用的是高阻尼支座隔震技術(shù)和摩擦擺支座技術(shù)。

4.1 高阻尼支座在橋梁隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高阻尼支座隔震的技術(shù)原理是通過采用鉛鋅橡膠支座，利用支座中的鉛芯和鋼板或橡膠和鋼板之間相互作用產(chǎn)生阻尼，從而對地震帶來的橋梁結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行有效的化解和吸收[6]。

4.2 摩擦擺支座在橋梁隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摩擦擺支座的設(shè)計(jì)與常規(guī)制支座設(shè)計(jì)有所差別，摩擦擺支座主要是根據(jù)單擺的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。在面對地震的振動時，橋梁的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生晃動，從而導(dǎo)致該處的支座限位器裝置遭到破壞，進(jìn)而使橋梁的上部結(jié)構(gòu)在振動的作用力下發(fā)生單擺運(yùn)動。橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的水平方向的作用力由摩擦擺支座結(jié)構(gòu)中的耐磨板與球冠來傳遞，摩擦擺支座結(jié)構(gòu)中的耐磨板與球冠能夠有效的將橋梁結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的水平方向的力通過自身的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ亮?，并通過摩擦來增加橋梁工程自身的振動周期，以此減少地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。如圖1 中（a）、（b）所示。

圖1 摩擦擺支座構(gòu)造圖與性能

摩擦擺支座在橋梁工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮的作用主要是依靠單擺原理來實(shí)現(xiàn)，因此，如果在地震中想要讓摩擦擺發(fā)揮出理想的效果，往往需要橋梁工程上部結(jié)構(gòu)具有很大的恒載。因此，摩擦擺支座在我國的使用場景中多應(yīng)用于大規(guī)模、大跨徑的橋梁施工中。摩擦擺支座安裝和施工相對復(fù)雜，橋梁底部空間十分有限，因此，需要在施工前根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)才能進(jìn)行有效的安裝。

4.3 滑動摩擦支座在橋梁隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

將傾斜的滑動軸承這種減震裝置應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)之中，可以有效降低橋梁在地震時橋梁主體與地面的共振，滑動摩擦支座通常是由滑動軸承構(gòu)成，在地震時，滑動軸承通過滑動與摩擦有效的吸收地面帶來的振動能量，與此同時，擺錘機(jī)制也能進(jìn)一步提升橋梁自身的振動周期，幫助橋梁主體進(jìn)一步增加復(fù)位能力，從而達(dá)到對橋梁整體的防震目的。

5 橋梁工程設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用探析

5.1 彈性反應(yīng)譜技術(shù)

在橋梁工程隔震設(shè)計(jì)中，彈性反應(yīng)譜技術(shù)是最為常用的方法，通過這種方法，能夠簡化橋梁工程建設(shè)的運(yùn)算過程，同時相關(guān)工作人員對這種方法的接受速度較快，十分符合當(dāng)前橋梁建設(shè)的需求。因?yàn)闃蛄旱膭偠雀饔胁煌?，所?yīng)用的轉(zhuǎn)變運(yùn)算中并沒有較為直接的運(yùn)算公式。為了對橋梁構(gòu)造抗震功能進(jìn)行更好的理解，作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重視彈性反映譜技術(shù)，通過該技術(shù)來輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的對比，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁部署的高效率開展。隔震設(shè)計(jì)是對抗震性能進(jìn)行強(qiáng)化的重要手段，其質(zhì)量會對橋梁應(yīng)對地震的能力產(chǎn)生直接的影響，因此作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在隔震設(shè)計(jì)中，重視對隔震裝備最大振幅的研究，在考慮隔震裝備振幅的情況下來選擇最為合理的手段。但是在對一些構(gòu)造復(fù)雜且無規(guī)律的橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時，需要分析橋梁結(jié)構(gòu)周期，通過時程分析的方法來對隔震裝備強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，特別是彈性方面，要確保其具備足夠的彈力，從而進(jìn)一步提升橋梁構(gòu)造的可靠程度和穩(wěn)定程度。從目前的情況來看，在橋梁隔震設(shè)計(jì)中彈性反應(yīng)譜技術(shù)十分常見，究其原因是與時程方法相比較具有標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

5.2 橋梁附加構(gòu)造

為了能夠?qū)蛄簶?gòu)造體系進(jìn)行優(yōu)化，需要重視對橋梁附屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，從而更好的體現(xiàn)出橋梁隔震設(shè)計(jì)的重要價值。例如纖維裝備、伸縮縫以及防落梁裝備等，通過了解這些結(jié)構(gòu)的抗震效果，來計(jì)算出相應(yīng)的抗震功效，從而更好的推動橋梁附屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展，提升橋梁整體抗震功效。根據(jù)地震災(zāi)害的案例分析能夠看出，橋梁隔震設(shè)計(jì)和附屬結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)能夠起到良好的隔震效果，具備很強(qiáng)的地震應(yīng)對能力，同時也與地震能量接受水平有著直接的關(guān)聯(lián)。橋梁附屬結(jié)構(gòu)有些像機(jī)器中的螺絲扣，如果缺少了某些螺絲扣，就會降低整個機(jī)器的可靠程度。除此之外，為了提升橋梁隔震體系的平衡度，在橋梁設(shè)計(jì)中需要對強(qiáng)度適中的梁體構(gòu)造進(jìn)行高效利用，一般可以采用混凝土板塊結(jié)構(gòu)，混凝土厚度要高于5cm，確保梁體構(gòu)造承載均衡，梁體可采用鋼筋混凝土的構(gòu)造方式。

6 結(jié)語

在橋梁工程設(shè)計(jì)中，防震技術(shù)是保證橋梁工程質(zhì)量以及使用安全的重要應(yīng)用技術(shù)，隔震技術(shù)作為防震技術(shù)中的新型技術(shù)手段，其與傳統(tǒng)的橋梁工程防震技術(shù)相比較，具有更多的優(yōu)勢，例如縮減施工成本、延長橋梁主體結(jié)構(gòu)使用周期、降低橋梁工程后期維修與養(yǎng)護(hù)的成本、提高抗震能力等等。因此在我國橋梁工程隔震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要充分借鑒世界先進(jìn)隔震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與手段，為我國橋梁工程設(shè)計(jì)以及道路安全保駕護(hù)航。