公路橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的研究

李慧、覃佳

（聊城市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東聊城252000）

0 引言

橋梁建設(shè)是公路建設(shè)中一個(gè)非常重要的組成部分，具有投資大、工期長(zhǎng)、建筑質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，因此首先確保橋梁具有強(qiáng)大的抗震能力。橋梁隔震層的施工可以顯著降低橋梁結(jié)構(gòu)的反加速度，提高橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，對(duì)橋梁的穩(wěn)定性和隔震性能有很大的影響，因此做好橋梁隔聲墻的設(shè)計(jì)非常重要。

1 橋梁工程震害分析

橋梁頂層結(jié)構(gòu)在地震作用下，會(huì)引起結(jié)構(gòu)震害、碰撞震害、位移震害、橋梁倒塌、橋梁位移等。汶川大地震后，經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大橋有位移，最大位移達(dá)21cm。支座震害形式以位移、錨栓抽出、可移動(dòng)支架脫落為主。汶川大地震中，部分橋梁發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，如剪切變形、隆起等。綜合地震影響分析和汶川橋梁震害研究情況，推測(cè)全線(xiàn)有177 個(gè)橋墩受到地震破壞，嚴(yán)重影響了橋梁的功能和安全。

2 橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的目的及原理

2.1 設(shè)計(jì)目的

在橋梁施工中，阻尼器的選擇是非常重要的，可以改善橋梁的阻尼，并在地震中進(jìn)一步改善分裂。支撐部件之間的地震荷載分布、橋梁主要部件的保護(hù)以及通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)的通道，為了維持和保護(hù)橋梁的整體穩(wěn)定性，在橋梁施工中增加了隔震施工，并通過(guò)調(diào)整橋梁的橫向剛度來(lái)改善橋梁結(jié)構(gòu)，減少地震對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的損害。因此，在城市交通快速發(fā)展的今天，考慮橋梁的隔震性能對(duì)提高橋梁的施工質(zhì)量起著積極的作用。

2.2 設(shè)計(jì)原理

在橋梁建設(shè)中，隔震作為一種新的發(fā)展形式，仍然是未來(lái)橋梁發(fā)展的重要趨勢(shì)。隔震在橋梁建設(shè)中的作用體現(xiàn)在地震后減小橋梁的受力程度、保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)、提高橋梁的抗震性能。從社會(huì)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由于結(jié)構(gòu)的抗震特性，使其響應(yīng)加速度比地表要低，從而可以減少損傷。在常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)橋梁的整體強(qiáng)度、變形能力進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)地震作用的影響并不顯著。然而，在橋梁工程中，若能充分利用隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，就必須采用隔震設(shè)備，以保證各結(jié)構(gòu)構(gòu)件與水平地面之間存在某種程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而避免發(fā)生地震后的主要結(jié)構(gòu)損傷[1]。

3 公路橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和重要性

我國(guó)橋梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保地震后的正常使用，不會(huì)造成破壞或輕微的損傷，整體結(jié)構(gòu)仍具有一定的彈性；地震后雖有一些損傷，但只要修理好，一般能在短期內(nèi)繼續(xù)使用，并且整體不受影響；地震后受損嚴(yán)重，但整體不會(huì)受損，該結(jié)構(gòu)在修補(bǔ)后能正常通過(guò)，整體結(jié)構(gòu)為彈性變形。

為了使結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)考慮，因此研制出一種穩(wěn)定、可靠的減振器及配套設(shè)備是十分必要的。通常，在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須對(duì)彈性響應(yīng)頻譜進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行科學(xué)的受力影響進(jìn)行科學(xué)的控制。橋梁是城市危機(jī)管理體系的重要組成部分，是一種重要的公共資源，地震橋梁更是一種具有重大意義的公共危機(jī)管理體系，它可以降低社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失，并對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極的作用。

3.1 公路橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的重要性

在公路橋梁施工中，隔震結(jié)構(gòu)是指在橋梁施工階段安裝減震器，使橋梁結(jié)構(gòu)能夠在水平方向上得到柔性支撐，并有效地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在水平方向上的周期。此外，在發(fā)生地震時(shí)，還必須在公路橋梁施工中安裝阻尼器，以有效提高其阻尼效果，盡量減少地震的影響。近年來(lái)，歐美國(guó)家在高速公路橋梁抗震研究方面取得了很大進(jìn)展，我國(guó)還處于發(fā)展的初級(jí)階段，研究還不夠全面和系統(tǒng)，主要是在借鑒國(guó)外的研究成果和經(jīng)驗(yàn)[2]。

3.2 公路橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

如果在橋梁設(shè)計(jì)中進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，可以更好地分解和改善不同結(jié)構(gòu)支撐柱之間的地震力分布，有效地保護(hù)橋梁主體，穩(wěn)定橋梁頂部。公路橋梁設(shè)計(jì)中的隔震性能可以有效地調(diào)節(jié)橋梁的橫向剛度，防止橋梁結(jié)構(gòu)的平衡變化。在橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)可以有效避免地震后橋梁下部結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，確保部分橋梁不易變形。在隔震設(shè)計(jì)中，施工成本不增加、抗震性能較好，工程質(zhì)量可以得到較好的保證。防震支架是最常用的防震裝置。在正常使用中，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形或外界環(huán)境溫度變化時(shí)，抗震支撐非常小，便于減少橋梁施工過(guò)程中的變形。因此，即使發(fā)生大地震，也可以更加方便地維護(hù)橋梁，修復(fù)橋梁的成本將非常低，還可以快速更換隔震設(shè)計(jì)和裝置[3]。

4 隔震裝置的類(lèi)型與應(yīng)用

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)逐漸被淘汰，新的隔震技術(shù)根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型和用途可分為以下幾類(lèi)：一是利用高成本設(shè)備抵消橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震能量，以減少不可避免的損壞，如粘滯阻尼器；二是在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，如果再次配置隔震裝置來(lái)中和地震能量，抗震性能可以大大提高。

4.1 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器的作用原理是基于流體的運(yùn)動(dòng)，特別是流體通過(guò)孔口產(chǎn)生粘滯阻力時(shí)產(chǎn)生的阻尼力和能量。粘滯阻尼器的應(yīng)用相當(dāng)于在橋梁結(jié)構(gòu)中安裝了“安全氣囊”，該方法能夠最大程度地吸收和抵消地震對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊能量，并使其在地震作用下的損傷程度大大降低。另外，采用JZN 系列低黏性系數(shù)硅油作為粘滯阻尼材料，其性能穩(wěn)定、抗輻射性能良好，延長(zhǎng)了其使用壽命。另外，粘滯減振效果最好的是粘滯反向減振，能更好地控制結(jié)構(gòu)的變形[4]。

4.2 擺式滑動(dòng)摩擦支座

4.2.1 應(yīng)用

擺式滑動(dòng)摩擦支座的基本功能原理是通過(guò)表面產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦來(lái)中和地震能量，結(jié)構(gòu)自振周期的延長(zhǎng)按阻尼方向劃分為球體，圓柱分為兩類(lèi)：第一類(lèi)結(jié)構(gòu)水平雙向隔震，第二類(lèi)結(jié)構(gòu)水平單向隔震。

4.2.2 地震波對(duì)支座的影響

在大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)中，滑動(dòng)摩擦支座可以達(dá)到預(yù)期的效果，但為了應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，必須考慮高頻脈沖地震的影響。設(shè)計(jì)中應(yīng)選用滑動(dòng)摩擦支座結(jié)構(gòu)。首先，應(yīng)分析支架的長(zhǎng)度尺寸；其次，在大多數(shù)施工現(xiàn)場(chǎng)，使用滑動(dòng)摩擦支座可以達(dá)到預(yù)期的效果，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件相對(duì)較軟時(shí)，抗震防震裝置的效果較差；最后，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用板式橡膠支座是目前最好的結(jié)構(gòu)形式，但實(shí)際效果不如滑動(dòng)摩擦支座，這將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響[5]。

4.3 鉛芯橡膠支座的應(yīng)用

鉛芯橡膠支座的主要作用原理是在疊層橡膠支座中插入一系列鉛芯，形成緊湊型減震器，鉛芯具有良好的力學(xué)性能，可與橡膠支座有效結(jié)合，這是目前國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的一種。高純鉛具有較高的剛度與強(qiáng)度，有利于應(yīng)對(duì)大型地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的快速?zèng)_擊，因此鉛芯橡膠支座也是國(guó)內(nèi)外良好的抗震技術(shù)。

5 橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題分析

在修建隔震橋梁時(shí)，主管人員要保證橋梁的構(gòu)造和隔震層的一致性。為了適應(yīng)地震的水平作用，橋梁隔震時(shí)必須考慮隔震層的橫向剛度，主要是因?yàn)殚L(zhǎng)距離的戶(hù)外作業(yè)，在自然環(huán)境中會(huì)遇到諸如暴風(fēng)雨、地面劇烈振動(dòng)等自然天氣狀況。在某些特定條件下，首先確保橋梁的隔震層足夠大，才能使其避免對(duì)重要結(jié)構(gòu)的重大損傷；其次，嚴(yán)格按施工規(guī)范，對(duì)橋梁的橫向剛性中心位置和上部保溫結(jié)構(gòu)的重心進(jìn)行檢測(cè)，并安排專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員對(duì)防震設(shè)備進(jìn)行縱向剛性及自動(dòng)調(diào)整，以保證其工作正常。

6 公路橋梁設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 隔震設(shè)計(jì)的原則

作為提高公路橋梁隔震性能的一項(xiàng)重要要求，公路橋梁的隔震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：首先，確定橋梁是否能采用隔震設(shè)計(jì)，并根據(jù)地震發(fā)生時(shí)的能量吸收情況進(jìn)行判斷。當(dāng)橋梁周期增長(zhǎng)后系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如果橋梁的某些部分不需要使用隔震結(jié)構(gòu)，則無(wú)需施工；其次，如果在橋梁設(shè)計(jì)中安裝了隔震裝置，則發(fā)生地震時(shí)，橋梁端部發(fā)生移動(dòng)，地震后應(yīng)修復(fù)相應(yīng)的隔震裝置。如果將隔震設(shè)計(jì)應(yīng)用于公路橋梁，則必須確保橋梁的抗震性能有所加強(qiáng)；再次，采用整體隔震設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滿(mǎn)足橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際需要的隔震裝置，并根據(jù)機(jī)械性能范圍的要求使用；最后，應(yīng)詳細(xì)研究橋梁的土壤條件和橋梁附近的地質(zhì)環(huán)境，以確保有足夠堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)條件。

6.2 隔震橋梁的能量設(shè)計(jì)方法

分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、質(zhì)量、剛度的分配對(duì)結(jié)構(gòu)的整體地震能量影響較小，而結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的初始階段則是由橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量決定的。在公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，將多個(gè)自由度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)終端感應(yīng)系統(tǒng)，并按第一周期的原則，計(jì)算出了地震橋的整體地震輸入能量。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，不需要進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，就可以利用橋梁的一階模型來(lái)求取等效末端導(dǎo)引系統(tǒng)的質(zhì)量。橋梁隔震的能量方法是一種迭代計(jì)算的方法，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須先對(duì)隔震等級(jí)及隔震指標(biāo)進(jìn)行確定。

需要注意的是，首先在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，采用鉛芯橡膠隔震支座作減震裝置，使其在地震時(shí)能維持其彈性狀態(tài)，或使其處于有限撓度狀態(tài)，則宜將其最大延性比控制在2 以下；其次，在減震作用下，對(duì)橋墩起到了一定的保護(hù)作用，因此抗震設(shè)防級(jí)別必須達(dá)到3。

6.3 隔震裝置的有效選取

在橋梁施工過(guò)程中，隔震和減震是需要考慮的因素之一，必須達(dá)到以下三個(gè)要求：第一，需要相當(dāng)大的靈活性，以延長(zhǎng)使用壽命和減少地震破壞；第二，通過(guò)阻尼和節(jié)能等手段削弱地震的破壞力，在一定范圍內(nèi)建立地表變形控制，抵抗地震的能量；第三，必須具有可靠的強(qiáng)度和流動(dòng)性，以防止橋梁不能進(jìn)入正常使用狀態(tài)，并防止其屈服或危險(xiǎn)振動(dòng)。在橋梁減震設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注重提高能耗和地震力的分散性，而不是只實(shí)施其生命周期。在選擇阻尼裝置時(shí)，必須在機(jī)械性能要求的范圍內(nèi)選擇和使用簡(jiǎn)單的裝置。

7 公路橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)的具體對(duì)策

在公路橋梁建設(shè)過(guò)程中，要做好隔震設(shè)計(jì)工作。在一些項(xiàng)目中，許多技術(shù)都是從統(tǒng)一的角度應(yīng)用的，因此道路和橋梁的建設(shè)沒(méi)有達(dá)到最好的效果，反而造成了更多的危險(xiǎn)因素和更嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。鑒于此，針對(duì)橋梁本身抗震結(jié)構(gòu)的具體操作，須采取一系列技術(shù)方法和手段，以提高路橋的穩(wěn)定性，減少不穩(wěn)定因素的影響。

7.1 選擇合適的執(zhí)行方式和標(biāo)準(zhǔn)

從路橋工程的角度來(lái)看，不同橋型所選擇的技術(shù)實(shí)施方法有很大差異。例如，相對(duì)于大型橋梁的抗震設(shè)計(jì)，中小型橋梁抗震標(biāo)準(zhǔn)的選擇在成本方面得到了很好的控制，但抗震設(shè)計(jì)的性能?chē)?yán)重下降。相反，如果按照大型橋梁的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造中小橋梁，成本也將大大增加。因此，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)的施工內(nèi)容。在抗震設(shè)計(jì)的施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須對(duì)周?chē)娜撕妥匀画h(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以確保技術(shù)實(shí)施模式與路橋工程本身相一致[6]。

7.2 設(shè)計(jì)隔震裝置

隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是隔震橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是隔震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前，在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，采用最多的是彈性反應(yīng)譜分析法，美國(guó)、日本等國(guó)家也是如此。兩者的最大差異是計(jì)算公式的差異，具體來(lái)說(shuō)，它是用來(lái)計(jì)算隔震器的等效減振和等效剛度的，當(dāng)橋梁自身形狀不規(guī)則或錯(cuò)綜復(fù)雜時(shí)，一般采用校正的方式。

目前，彈性反應(yīng)譜方法得到了廣泛的應(yīng)用。首先，該方法在工程建設(shè)中的計(jì)算比較簡(jiǎn)便；其次，該算法與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法相近，容易為業(yè)界所接受，在計(jì)算時(shí)，必須考慮到隔震設(shè)備等效阻尼和等效剛度的計(jì)算值與地震時(shí)的最大變動(dòng)幅度有很大的相關(guān)性；最后，對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也有一定的影響。當(dāng)然，在地震的作用下，彈性反應(yīng)譜方法也還有待進(jìn)一步完善，在具體的計(jì)算工作中，無(wú)法直接達(dá)到這個(gè)目的。在地震后，有經(jīng)驗(yàn)的工程人員可以對(duì)其進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行修改和分析，以確認(rèn)其合理性[7]。

7.3 設(shè)計(jì)細(xì)部構(gòu)造

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展和探討，研究人員認(rèn)為，路橋工程施工中采用隔震設(shè)計(jì)后，可以達(dá)到預(yù)期的效果，但從現(xiàn)有項(xiàng)目來(lái)看，部分地區(qū)對(duì)路橋項(xiàng)目的細(xì)節(jié)關(guān)注度不高，雖然沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重事故，但后續(xù)維護(hù)頻率高，成本和經(jīng)濟(jì)成本高，不利于路橋的長(zhǎng)期維護(hù)。在這種情況下，地方路橋項(xiàng)目應(yīng)注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展，減少缺陷，實(shí)現(xiàn)路橋的整體優(yōu)化。橋梁輔助設(shè)計(jì)主要有限位裝置、伸縮縫、防墜落裝置等。橋梁的動(dòng)態(tài)反應(yīng)與抗震性能的綜合影響對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響很大。此外，在計(jì)算地震響應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，由于輔助結(jié)構(gòu)的計(jì)算較為煩瑣，有些設(shè)計(jì)者不愿進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。在道路、橋梁、抗震建筑等工程中，應(yīng)對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)，以保證其連續(xù)性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要重視橋梁的精細(xì)構(gòu)造，對(duì)其輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其更好地發(fā)揮抗震性能。

8 結(jié)語(yǔ)

在橋梁施工中引入抗震性能是為了保證橋梁施工質(zhì)量，因此提高橋梁施工中抗震研究的效率，吸收和借鑒國(guó)外一些技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合工程實(shí)踐，選擇合理的設(shè)計(jì)方案，使公路橋梁具有較強(qiáng)的抗震性能，滿(mǎn)足人們的使用需求。