減隔震橋梁設(shè)計方法及抗震性能分析

候耀華

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

在評價橋梁穩(wěn)定性的過程中抗震性能屬于重要指標(biāo)，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)在規(guī)定使用年限內(nèi)可以滿足安全性要求，需要將減隔震設(shè)計合理融入橋梁規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)，在充分了解橋梁減隔震設(shè)計相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，合理借助多種減隔震設(shè)計手段，同時配置與橋梁結(jié)構(gòu)相適宜的減隔震裝置，使減隔震技術(shù)和裝置形成合力，在最大程度上提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 橋梁減隔震設(shè)計概述

1.1 設(shè)計原則

出于降低各種自然災(zāi)害影響的目的，橋梁必須達(dá)到足夠高的結(jié)構(gòu)性能，出于防止安全事故的目的，相關(guān)人員應(yīng)對橋梁減隔震設(shè)計工作保持足夠重視。在減隔震橋梁設(shè)計工作中應(yīng)遵循以下原則：第一，針對性原則。相關(guān)人員在確定橋梁建設(shè)地址時，必須充分考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，盡量避免橋梁抗震性能受到外部環(huán)境因素的影響。在原有設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在橋梁設(shè)施設(shè)計區(qū)域以硬度較高的地質(zhì)為佳，以此保證橋梁基礎(chǔ)具有足夠高的穩(wěn)定性，防止橋梁地基受到各種災(zāi)害的影響。另外，橋梁結(jié)構(gòu)不可以建設(shè)在軟弱土層上，如果無法規(guī)避需要先采取適宜的措施處理軟弱土層；第二，差異性原則。在傳統(tǒng)減隔震橋梁設(shè)計中是以“同等安全度”為理念，在該理念下要求相關(guān)人員以相同的抗震性能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計橋梁各部件所有結(jié)構(gòu)，然而與實(shí)際情況相結(jié)合可知，此設(shè)計理念在科學(xué)性方面存在一定不足，在實(shí)際使用中橋梁部件在整體上存在受力不平衡的問題，也就是說當(dāng)存在不同橋梁結(jié)構(gòu)時，其需要滿足不同抗震需求，如果在設(shè)計中仍然遵循“同等安全度”，無法為抗震設(shè)計的實(shí)效性提供有效保障。所以，在設(shè)計減隔震橋梁時，相關(guān)人員應(yīng)該在充分考慮橋梁振動周期和受力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有針對性地開展設(shè)計減隔震的工作，確保減隔震設(shè)計符合實(shí)際情況，高質(zhì)量完成橋梁抗震設(shè)計；第三，整體性原則。為了設(shè)計出與實(shí)際抗震性能需求相符的橋梁結(jié)構(gòu)，相關(guān)人員應(yīng)從整體方面入手，保證各個橋梁結(jié)構(gòu)在使用中承受相同的力，并且橋梁各結(jié)構(gòu)都需要有效地連通橋梁主體，充分借助橋梁主體結(jié)構(gòu)的支撐作用。

1.2 技術(shù)原理

橋梁減隔震技術(shù)簡單理解就是借助相應(yīng)支座裝置幫助橋梁消除內(nèi)部振動能量，使振動作用實(shí)際影響減輕，杜絕供應(yīng)問題，以此使橋梁抗震性能達(dá)到更高水平。因此，在橋梁減隔震設(shè)計工作中，設(shè)計人員應(yīng)在充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，選用適宜的減隔震技術(shù)，進(jìn)而防止外部因素破壞橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況。在橋梁減隔震技術(shù)實(shí)際運(yùn)用中，需要在嚴(yán)格遵守橋梁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量規(guī)范的基礎(chǔ)上選擇適宜的柔性裝置，利用裝置阻尼降低地震波能量，減少出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振的幾率，可以起到保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的作用。借鑒原有的橋梁減隔震成功設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，在嚴(yán)格遵循橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員應(yīng)盡量使抗震構(gòu)件具有更高彈性和可塑性，并按照橋梁部位差異選擇適宜的減隔震裝置，同時規(guī)范落實(shí)維護(hù)橋梁主體的工作，提高其基礎(chǔ)穩(wěn)定性，使墩柱擁有更低延性，借助各種有效措施提升橋梁抗震性能。

2 橋梁減隔震設(shè)計方法

2.1 合理選擇橋梁建設(shè)位置

通過分析減隔震橋梁設(shè)計原則可知，相關(guān)人員在工作過程中必須遵循因地制宜地選擇，在充分考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上選擇橋梁建設(shè)位置，使橋梁可達(dá)到最大化的抗震性能。在正常情況下，需要在地質(zhì)強(qiáng)硬的區(qū)域設(shè)計減隔震橋梁，能夠?yàn)闃蛄旱目拐鹦阅艽蛳聢?jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在建設(shè)區(qū)域滿足該條件時，若是橋梁無質(zhì)量問題即使遇到地震災(zāi)害事故橋梁結(jié)構(gòu)也能維持較好的狀態(tài)。橋梁地基主要使用碎石、巖基以此保證橋梁擁有穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

2.2 確定環(huán)境因素

在2020年《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范（2020）》正式實(shí)施，在此規(guī)范中明確指出，相關(guān)人員在選擇與應(yīng)用橋梁減隔震技術(shù)時必須充分重視環(huán)境因素。想要滿足這一要求，在實(shí)際落實(shí)設(shè)計工作前，相關(guān)人員必須對施工現(xiàn)場進(jìn)行仔細(xì)調(diào)查，深入了解當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)、環(huán)境等方面的情況，隨后針對性的設(shè)計橋梁，才能使減隔震作用充分發(fā)揮，使橋梁結(jié)構(gòu)擁有更高的抗震性能，確保設(shè)計合理性和科學(xué)性。只有在滿足以下環(huán)境因素條件時才可以開展橋梁減隔震設(shè)計：第一，剛性橋墩結(jié)構(gòu)擁有較短的振動周期；第二，橋梁擁有不規(guī)則的高度參數(shù)，如果橋墩結(jié)構(gòu)存在差異較大的高度參數(shù)，則需要有針對性地落實(shí)延伸性設(shè)計；第三，在橋梁施工區(qū)域內(nèi)若是存在顯著的地面地質(zhì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn)，而且在一定時間內(nèi)不能出現(xiàn)較大振動能量。

2.3 加強(qiáng)墩柱設(shè)計

在設(shè)計與建設(shè)橋梁的過程中墩柱結(jié)構(gòu)是非常重要的內(nèi)容，在橋梁結(jié)構(gòu)中其能夠發(fā)揮隔震、減震、支撐的作用。所以，在設(shè)計減隔震橋梁時，相關(guān)人員應(yīng)對設(shè)計墩柱的工作保持充分重視，保證其擁有良好的抗震性能。首先，需要明確橋梁建設(shè)地區(qū)需要達(dá)到的抗震等級，同時結(jié)合當(dāng)?shù)卣饎淤Y料進(jìn)行研判，以實(shí)際結(jié)果為基礎(chǔ)確定墩柱需要滿足的各項(xiàng)參數(shù)要求，保證墩柱可在承受相關(guān)震動后不會出現(xiàn)嚴(yán)重變形情況，利用墩柱結(jié)構(gòu)使橋梁整體擁有更高抗震性能。其次，應(yīng)該合理將配筋融入到橋梁墩柱中，使用的配筋必須滿足實(shí)際參數(shù)需求，在確保其符合強(qiáng)度要求的同時，提升墩柱配筋的穩(wěn)定性，最終使橋梁擁有更加優(yōu)異的抗震性能。

2.4 注重性能基礎(chǔ)

想要使橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能得到最大程度地提升，使減隔震橋梁達(dá)到更高的設(shè)計質(zhì)量，在設(shè)計中應(yīng)充分重視橋梁基礎(chǔ)性能，在實(shí)際開展設(shè)計工作時相關(guān)人員應(yīng)該全面收集當(dāng)?shù)氐卣饠?shù)據(jù)信息，掌握當(dāng)?shù)卣饎拥燃壓偷卣鸪潭?，針對地震危害開展量化分析，然后結(jié)合分析結(jié)果明確橋梁減隔震防護(hù)范圍，從而制定出更加科學(xué)合理的橋梁減隔震設(shè)計方案。另外，在基于抗震性能開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)保證減隔震設(shè)計要點(diǎn)與其他設(shè)計要素可形成一個整體，保證橋梁結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)異的抗震性能。

2.5 強(qiáng)度設(shè)計分析

第一，強(qiáng)度性能設(shè)計。在現(xiàn)如今的減隔震橋梁設(shè)計中強(qiáng)度性能設(shè)計較為常見，相關(guān)人員想要通過強(qiáng)度性能設(shè)計提升橋梁抗震性能，必須有效開展靜荷載試驗(yàn)，了解和掌握橋梁工程地基的承載力，然后與橋梁結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)相結(jié)合明確構(gòu)件強(qiáng)度要求和抵抗性，進(jìn)而使橋梁減隔震設(shè)計達(dá)到更高質(zhì)量。以強(qiáng)度性能設(shè)計為基礎(chǔ)，可以有效提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，擁有顯著的效果，但是通過分析相關(guān)的工程數(shù)據(jù)可知，如果是在軟弱地質(zhì)區(qū)域建設(shè)橋梁，橋梁地基缺乏足夠穩(wěn)定性，即使相關(guān)人員使用強(qiáng)度設(shè)計方法，也沒辦法發(fā)揮原有的橋梁減隔震效果。所以，這種設(shè)計方式的局限性較為明顯，相關(guān)人員在使用該方法時必須確保當(dāng)?shù)貙?shí)際情況滿足其使用需求。第二，材料延伸性設(shè)計。目前，混凝土鋼結(jié)構(gòu)是最常見的橋梁工程結(jié)構(gòu)，也就是說在建設(shè)橋梁工程時鋼金屬和混凝土是最常用的材料，為了確保橋梁減隔震設(shè)計效果，使橋梁結(jié)構(gòu)擁有更高的抗震性能，相關(guān)人員需規(guī)范落實(shí)施工材料延性設(shè)計。在開展材料延性設(shè)計的過程中，需模擬實(shí)際地震力情況，對各種材料延伸性能開展逐步分析，明確在試驗(yàn)過程中各種材料的實(shí)際表現(xiàn)，選擇出最優(yōu)的施工材料，并落實(shí)有針對性的抗震設(shè)計工作。在設(shè)計減隔震橋梁的過程中材料延性設(shè)計屬于輔助性手段，可以使減隔震設(shè)計變得更加全面，促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)與減隔震設(shè)計深度融合。

3 減隔震橋梁工程實(shí)例的抗震性能分析

某橋梁工程中相關(guān)人員決定在設(shè)計工作中使用減隔震技術(shù)，工程實(shí)際情況如表1所示。

表1 某橋梁工程概況

本工程的主要設(shè)計方案為將20 000 kN的盆式鉛銷橡膠隔震支座（LRB）設(shè)計在中墩處。

在開展設(shè)計工作的過程中，相關(guān)人員針對橋梁建設(shè)區(qū)域開展了檢測工作，明確了相關(guān)的設(shè)計要求和地震動參數(shù)，詳細(xì)情況如表2所示。

表2 某橋梁工程設(shè)計要求和地震動參數(shù)

根據(jù)上述內(nèi)容可知，相關(guān)人員必須按照如下思路逐一確定鉛銷橡膠隔震制作的各項(xiàng)設(shè)計參數(shù)：以正常運(yùn)行狀態(tài)下的橋梁變位要求和支座豎向承載力等參數(shù)為基礎(chǔ)，初步確定支座橡膠層厚度和面積等；以此為前提，分別計算屈服力等力學(xué)參數(shù)。組織計算和測評工作，最終確定了以下參數(shù)：1 130 mm×1 130 mm支座尺寸，161 mm橡膠層總厚度，4根180 mm直徑的鉛銷，87 143 kN/m的初始剛度，6 987 kN/m的屈服剛度，1 068 kN屈服力。

針對沒有采取減隔震設(shè)計技術(shù)的區(qū)域，使用盆式橡膠支座（PRB）作為支座。其中，橋墩、主梁都為梁單元，確保擁有固結(jié)狀態(tài)的墩底，借助彈簧單元有效連接各個墩梁；針對隔震橋模式設(shè)計區(qū)域，需要使用鉛銷橡膠支座作為中墩支座。邊墩處需完成四氟滑板支座聚攏；橋墩和主梁均采用梁單元，其他設(shè)計與常規(guī)橋模式相同。

相關(guān)人員在測評抗震性能后發(fā)現(xiàn)，借助LRB支承方案能夠使結(jié)構(gòu)的固有周期大幅度延長，對于與地震能量集中存在較遠(yuǎn)距離的頻率區(qū)段，可發(fā)揮顯著的隔震作用。詳細(xì)參數(shù)如下：在順橋向、橫橋向PRB盆式橡膠支座結(jié)構(gòu)分別可達(dá)到0.61 s和0.70 s固有周期；在順橋向、橫橋向LRB鉛銷橡膠支座分別可達(dá)到1.13 s和1.42 s固有周期，明顯比PRB模式擁有更為優(yōu)越的性能。

在E1級地震情況下，獲得了如下彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果：在順橋向和橫橋向PRB支承方案均僅使用兩個橋墩，橋墩主要用于承擔(dān)水平地震力，致使出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出彈性狀態(tài)峰值的彎矩響應(yīng)，相關(guān)抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)無法得到滿足；與之相比，在順橋向和橫橋向LRB支承方案都設(shè)置了四個中墩，可以滿足負(fù)荷水平地震力的要求，同時橋墩始終能夠維持良好的彈性，從而可有效滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。在中震情況下，獲得了以下墩底彎矩響應(yīng)參數(shù)：在PRB方案中，順橋向?yàn)?54 728 kN·m，橫橋向?yàn)?11 058 kN·m，屈服彎矩為40 570 kN·m；而在RLB方案中，順橋向?yàn)?1 602 kN·m，橫橋向?yàn)?1 472 kN·m，屈服彎矩為34 790 kN·m。

在E2級地震情況下，獲得了以下非線性時程分析結(jié)果：LRB鉛銷制作在橋梁整體中可代替墩底作為第一塑性區(qū)，其能夠發(fā)揮耗散地震能量的作用，可以使橋墩維持良好的彈性狀態(tài)，從而使橋梁設(shè)計達(dá)到抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際參數(shù)對比情況如下：在PRB方案中，梁體在順橋向和橫橋向分別擁有72.0 mm和64.5 mm位移；而在LRB方案中分別為96.2 mm和91.4 mm。墩底彎矩結(jié)果如下：在PRB方案中，順橋向?yàn)?4 679.8 kN·m，橫橋向?yàn)?8 610 kN·m；在LRB方案中，順橋向?yàn)?5 010.0 kN·m，橫橋向?yàn)?1 950.0 kN·m。通過分析對比結(jié)果可知，兩種設(shè)計方案之間存在明顯差異。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)可知，在運(yùn)用鉛銷制作后，會在很大程度上提升梁體位移情況，之所以會有這種情況出現(xiàn)，主要是由于鉛銷制作擁有“滯回”效果。在充分考慮雙向地震動激勵作用的基礎(chǔ)上，在很大方向梁體會產(chǎn)生更大的位移。傳統(tǒng)的伸縮裝置無法滿足處理相關(guān)問題的要求，極易進(jìn)一步降低鉛銷支座的只會作用，出于避免落梁的目的，相關(guān)人員還需要設(shè)計防落梁和伸縮兩種配套裝置。

4 結(jié)束語

在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中橋梁工程扮演著重要的角色，能夠?yàn)槿藗冞\(yùn)送物資和出行提供方便，工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對人們出行安全產(chǎn)生直接影響。以此，相關(guān)人員應(yīng)該在充分重視橋梁安全問題的基礎(chǔ)上，合理落實(shí)減隔震設(shè)計工作，提高橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的安全性。在實(shí)際運(yùn)用減隔震技術(shù)的過程中，相關(guān)人員需要在充分考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上選擇適宜的技術(shù)，充分發(fā)揮減隔震技術(shù)和抗震技術(shù)的作用，進(jìn)而增加橋梁工程的可使用年限，使其運(yùn)行狀態(tài)變得更加穩(wěn)定。