市政橋梁項目減隔震設(shè)計要點

謝裕平

摘 要：在橋梁工程隔震設(shè)計過程中，設(shè)計人員要嚴(yán)格遵循各項基本原則，在了解隔震措施原理和適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，選擇適宜的隔震措施，使隔震設(shè)計工作得以順利完成，保證實際的隔震效果，增強橋梁整體隔震性能，達(dá)到預(yù)期的隔震目標(biāo)，減小或避免地震帶來的損失。為解決橋梁工程設(shè)計過程中的隔震設(shè)計問題，本文在明確市政橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的重要性及原理上，對橋梁工程設(shè)計中隔震設(shè)計的具體方法進(jìn)行分析，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：市政橋梁;減隔震設(shè)計;設(shè)計要點

中圖分類號：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

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目中減隔震設(shè)計的要點，希望能優(yōu)化減隔震設(shè)計，延長橋梁壽命，提高橋梁安全性。為抵御地震災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)的不利影響，較為有效的方法便是在橋梁減隔震設(shè)計中引入減隔震裝置，既能充分利用該裝置所具有的柔性結(jié)構(gòu)特性延長橋梁自振周期并減小和緩解地震力，又能發(fā)揮減隔震裝置的耗能效果，控制因橋梁結(jié)構(gòu)自振周期延長而引發(fā)的位移。當(dāng)前，主要通過增設(shè)減隔震支座作為橋梁結(jié)構(gòu)主要的減隔震裝置，該支座通常由橡膠類減隔震體系、滑動摩擦體系、彈塑性鋼耗能體系等組成。考慮到橡膠類隔震體系豎向承載力有限，在水平荷載下穩(wěn)定性無法保證，而且滑動摩擦體系在遭遇震害后會沿曲面發(fā)生滑動，導(dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)抬升，不利于橋梁上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

1 市政橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的重要性及原理

1.1 設(shè)計的重要性

目前，我國的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是地震災(zāi)害影響的范圍廣、破壞性大，其中對市政橋梁的破壞尤為明顯，因此在進(jìn)行市政橋梁設(shè)計的過程中增加了隔震設(shè)計。在市政橋梁施工的過程中安裝隔振器或者阻尼器，能有效地減少地震帶來的損壞。近些年來，眾多發(fā)達(dá)國家不斷的進(jìn)行研究和探索，完善隔震設(shè)計方案，并且取得了一定的成績。隔震設(shè)計是抗震方式的新的發(fā)展形式，進(jìn)行市政橋梁的抗震設(shè)計時通過在一定程度上減少地震引起的橋梁結(jié)構(gòu)的振動，有效地避免橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，增強橋梁的抗震能力。在傳統(tǒng)的橋梁的設(shè)計以及橋梁的施工過程中，通常情況下會提高橋梁的結(jié)構(gòu)強度以及結(jié)構(gòu)變形能力來增大橋梁的抗震效果。與之對比的是，橋梁的隔震設(shè)計的理論基礎(chǔ)是在橋梁的設(shè)計中加入了柔性的裝置進(jìn)行設(shè)計，減少橋梁結(jié)構(gòu)在水平方向運動的關(guān)聯(lián)性，保證橋梁關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件能夠減少地震的損傷，降低橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加速度，并且在進(jìn)行隔震設(shè)計過程中添加阻尼設(shè)計，從而實現(xiàn)地震與橋梁結(jié)構(gòu)的隔離，減少地震的傳遞能量，從而使得市政橋梁的整體結(jié)構(gòu)的抗震能力大大增強。

1.2 隔震設(shè)計原理

市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隔震主要就是為了可以避免其結(jié)構(gòu)受到地震的影響而出現(xiàn)損壞的情況，在具體應(yīng)用中，為了可以使得市政橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到隔震的效果，設(shè)計人員一般都會根據(jù)需要來延長橋梁的結(jié)構(gòu)周期，通過該方面的因素來避免地震造成的橋梁損壞情況。但是，在設(shè)計時，如果橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計延長了結(jié)構(gòu)周期就會出現(xiàn)位移，從而導(dǎo)致了強度提升比較困難。此外，如果橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計為柔軟性質(zhì)，在正常的交通運行中，也容易存在有害振動的影響。

2 市政橋梁用隔震設(shè)備的分類

2.1 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器的應(yīng)用對于降低地震所產(chǎn)生的震動影響有著非常重要的作用，目前很多的建筑設(shè)計人員都在全面地應(yīng)用該技術(shù)來提升抗震性能，以滿足人們對于橋梁穩(wěn)定性的需要。在具體應(yīng)用中，粘滯阻尼器所具備較多的優(yōu)點，首先屈服力與摩擦力是常用值，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形情況時，就能夠?qū)⒍邤?shù)值同步，進(jìn)而可以避免出現(xiàn)變形而影響橋梁結(jié)構(gòu)的性能，但是在具體應(yīng)用中，如果阻尼器的參數(shù)為1時，就會導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，而當(dāng)阻尼器變?yōu)?時，阻尼器的阻尼力是最大的，橋墩也就不會出現(xiàn)較大的變形。由此可見，選擇合適的粘滯阻尼器能夠全面提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 擺式滑動摩擦支座

目前市政橋梁設(shè)計人員在加大研發(fā)力度，以采取更加有效的措施來合理的布置擺動式滑動摩擦支座，以更好的提升橋梁的抗震性能。設(shè)計方案中，選擇使用擺動摩擦支座的基本原理就是通過滑動摩擦支座與鐘擺概念相結(jié)合的方式，從而可以達(dá)到一種較強的隔震效果，在應(yīng)用中，擺動式摩擦支座的滑動面是曲面，因此，在設(shè)計過程中，需要按照實際的要求情況，通過滑動摩擦將地震所形成的能量抵消掉，然后就會使得橋梁復(fù)位，避免地震造成嚴(yán)重的橋梁損壞問題。在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，曲面半徑是非常重要的技術(shù)參數(shù)，對于整體抗震性能影響也是最大的，所以在實踐中應(yīng)該根據(jù)滑動支座的形式來進(jìn)行平面設(shè)計，這樣才能降低地震所產(chǎn)生的影響。

3 橋梁工程抗震設(shè)計方法

3.1 橋梁的強度設(shè)計

抗震設(shè)計是橋梁設(shè)計中應(yīng)用比較早的設(shè)計方法，其中一個主要的設(shè)計元素就是橋梁的強度。靜荷載主要指的就是橋梁在地震力作用下產(chǎn)生的荷載，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬性狀態(tài)的測定。作為構(gòu)件的主要屬性，就需要對強度和剛度特定狀態(tài)下的失效表現(xiàn)進(jìn)行測量。這種強度是設(shè)計的主要原則，在很多抗震設(shè)計工作中得到了應(yīng)用，并且應(yīng)用效果也相對令人滿意。

3.2 橋梁的延性設(shè)計

以地震過程產(chǎn)生的橋梁結(jié)構(gòu)破壞問題為主要突破點，就可以實現(xiàn)彈塑性破壞特點的總結(jié)，相關(guān)學(xué)者提出了可以在延性的基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁的抗震設(shè)計。這種設(shè)計方法主要是借助地震力來進(jìn)行系數(shù)的修正，對反應(yīng)譜的加快速度進(jìn)行優(yōu)化，對地震內(nèi)力的性能進(jìn)行有效分析，對各類型結(jié)構(gòu)的延性內(nèi)在需求進(jìn)行全面的反應(yīng)。

3.3 橋梁的性能設(shè)計

由于地震力具有一定的不規(guī)律性，因此就要求橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能要具有一定的目標(biāo)性能。必須要做好目標(biāo)的規(guī)范設(shè)計，有效的控制橋梁的受損情況，保證地震結(jié)束以后，橋梁工程的安全性和交通性。在保證橋梁工程安全性的過程中，需要將對地震進(jìn)行阻隔作為橋梁工程性能建設(shè)的目標(biāo)，進(jìn)行多視角、多層次的抗震設(shè)計，在保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的過程中，將地震災(zāi)害的負(fù)面影響降到最低。

4 市政橋梁項目減隔震設(shè)計要點

4.1 技術(shù)的適用性

橋梁工程的減震設(shè)計，首先應(yīng)該掌握減隔震技術(shù)的適用范圍，明確在軟土路基工程該項技術(shù)不適用。如果橋梁工程的施工土壤路基，受到地基與樁基之間側(cè)向剛度不足的影響，就會延長橋梁工程的地震周期。因此，如果對減震技術(shù)進(jìn)行運用，就會造成嚴(yán)重的橋梁坍塌問題。在剛性能力較高的橋墩工程質(zhì)應(yīng)用此項技術(shù)效果較高，能夠有效減少地震對橋梁工程產(chǎn)生的負(fù)面影響，對橋梁上部與橋墩兩者間的運動進(jìn)行有效的分類，延長橋梁的振動周期，避免橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生破壞。

4.2 減隔震裝置分析

4.2.1 分層橡膠材質(zhì)的支座

在進(jìn)行橋梁減隔震設(shè)計的過程中，經(jīng)常會使用支座，目前常用的支座材質(zhì)有分層橡膠和鉛芯橡膠兩種。在我國，運用分層橡膠通?？梢灾瞥砂迨街ё?。主要的分層橡膠制作技術(shù)如下：首先需要將薄質(zhì)橡膠片與薄質(zhì)鋼板進(jìn)行交替結(jié)合，在這一過程中形成相關(guān)的支座，這種支座一般有圓形和矩形兩種，并且設(shè)計的靈活性也比較大。在具體的抗震設(shè)計時，進(jìn)行完分層橡膠支座的制作以后，還需要對水平剛度和阻尼的使用效果進(jìn)行分析。水平剛度就是橡膠支座向下兩個板面之間的位移，外界應(yīng)該適當(dāng)?shù)氖┘铀郊羟辛?。在橡膠制作發(fā)生形變時，就會對地震能力進(jìn)行消耗，并且在這一過程還需要對阻尼進(jìn)行借助，阻尼的作用主要是借助于橡膠層的形變。如果使用天然橡膠進(jìn)行支座的制作，通常阻尼比的設(shè)計范圍就會集中在5%～10%。在進(jìn)行分層橡膠支座實際的應(yīng)用過程中，進(jìn)行位移受力情況的分析可以發(fā)現(xiàn)，位移變化比較小，對地震的抵抗能力就會比較好。

4.2.2 鉛芯橡膠材質(zhì)的支座

這種材質(zhì)的支座主要的制作方式就是在橡膠板式支座的基礎(chǔ)上，將鉛芯壓入到橡膠支座中心位置，鉛芯的純度較高，在提升阻尼應(yīng)用效果的同時，還能夠具有良好的減震效果。鉛芯的力學(xué)性能非常好，其屈服數(shù)值只有10 MPa，

同時其初始剪切剛度可以達(dá)到130 MPa，具有很好的彈塑性能，在進(jìn)行塑性循環(huán)對抗的過程中具有比較強的耐久性，能夠在對橋梁的抗震性能進(jìn)行保障的前提下，滿足相關(guān)的耗能和靜力荷載等要求。因此，在分層橡膠支座中進(jìn)行鉛芯的壓入，能夠有效提高減震性能，滿足橋梁工程對減隔震裝置性能的要求。即使在水平力較低的情況下，鉛芯橡膠支座也能夠以較高的初始剛度來對地震能量進(jìn)行抵抗，同時也不會產(chǎn)生比較大的形變。在地震能量的作用下，由于鉛芯具有一定的屈服力，就可以對初始剛度進(jìn)行降低，進(jìn)而延長橋梁工程的使用年限，對地震傳遞能量進(jìn)行了有效的抵消，避免了地震連鎖反應(yīng)的出現(xiàn)。

4.3 嚴(yán)格遵循相關(guān)基本原則

在橋梁的隔震設(shè)計工作中，必須嚴(yán)格遵循相關(guān)基本原則：首先要遵循保證安全與舒適的基本原則，在編制具體設(shè)計方案時，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮橋梁工程自身特點與背景，注意不能盲目設(shè)計，要做到因地制宜，使設(shè)計具有一定針對性;同時，做好對橋梁工程所在場地的地質(zhì)勘察工作，明確場地范圍內(nèi)地質(zhì)特點和實際情況，然后結(jié)合實際狀況制定隔震方案，順利且有效地完成所有設(shè)計任務(wù)，保證橋梁結(jié)構(gòu)剛度，提高阻尼系數(shù)。此外，還需注意，在具體設(shè)計工作中，準(zhǔn)確計算阻尼系數(shù)和剛度數(shù)值，然后根據(jù)計算結(jié)果選擇適宜的隔震裝置，使隔震設(shè)計達(dá)到理想的效果。

5 結(jié)束語

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。我國目前在橋梁的減隔震方面仍有很長的路要走，要深入研究減隔震技術(shù)，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，以提高橋梁的抗震性、耐久性與安全性。

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