橋梁設(shè)計(jì)中隔震設(shè)計(jì)研究

陳勇星

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

0 引 言

橋梁作為公路、鐵路工程重要的基礎(chǔ)設(shè)施，必須具有較高的安全可靠性，尤其是具有較強(qiáng)的抗震性能，以確保交通運(yùn)輸?shù)陌踩＿@就要求橋梁工程設(shè)計(jì)人員在橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要充分考慮到橋梁隔震設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在確保橋梁結(jié)構(gòu)正常使用功能的前提下，依靠隔震裝置延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，消耗地震能量，降低橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，提高橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

1 橋梁隔震技術(shù)原理分析

在地震荷載的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力以及位移，隔震技術(shù)則主要是在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置隔震裝置，將橋梁結(jié)構(gòu)與可能造成結(jié)構(gòu)破壞的地面運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)來(lái)，進(jìn)而減少地震力以及地震能量對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，橋梁隔震技術(shù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式主要有以下幾種形式。

(1)延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期，降低地震力的影響。在地震荷載作用下造成橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞的主要原因就是由于橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期與地震力周期具有較高的吻合程度，造成了橋梁結(jié)構(gòu)的共振，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)放大，造成了梁體結(jié)構(gòu)的損壞。通過(guò)采取隔震設(shè)計(jì)，可以將橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期延長(zhǎng)，進(jìn)而有效的降低橋梁結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的絕對(duì)加速度反應(yīng)。

(2)增加橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼，對(duì)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行限制。由于延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)周期，因此會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的增加，在這種情況下，就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的阻尼裝置來(lái)增加橋梁結(jié)構(gòu)的阻力，并加快地震能量的耗散，進(jìn)而確保地震發(fā)生時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的位移能夠控制在合理的范圍內(nèi)。

(3)有效的分散橋梁結(jié)構(gòu)的水平地震力。橋梁結(jié)構(gòu)中，由于固定墩和活動(dòng)墩在水平剛度上有很大的差異，導(dǎo)致水平地震力基本是由固定墩來(lái)承擔(dān)，通過(guò)隔震設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于連續(xù)梁橋而言，相當(dāng)于取消了連續(xù)梁橋的固定墩，在地震荷載作用下，確保所有的橋墩都能夠參與抵抗地震力，起到了改善橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的作用。

2 橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)的必要性分析

(1)確保橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、墩臺(tái)等下部結(jié)構(gòu)的安全可靠。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)置隔震裝置，能夠?qū)⒌卣鸷奢d作用下所產(chǎn)生的塑性變形以及殘余位移集中到隔震裝置中消散，依靠隔震裝置實(shí)現(xiàn)耗散地震能以及承受變形的作用，進(jìn)而改善地震荷載下的橋梁下部結(jié)構(gòu)的受力情況，確保橋梁工程下部結(jié)構(gòu)的安全可靠。

(2)實(shí)現(xiàn)地震作用下橋梁工程整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一致性。通過(guò)設(shè)置隔震裝置，能夠通過(guò)橫向剛度的調(diào)節(jié)確保橋梁結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一致性，同時(shí)還可以起到整體改善橋梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)平衡性能，因而降低地震力對(duì)與橋梁結(jié)構(gòu)的影響，提高地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的安全水平。

(3)控制橋梁結(jié)構(gòu)的變形問(wèn)題。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)采取隔震設(shè)計(jì)，能夠大幅度降低橋梁結(jié)構(gòu)在溫度、收縮以及徐變等結(jié)構(gòu)變形方面的影響，同時(shí)也可以有效的控制地震下部結(jié)構(gòu)變形超出彈性范圍的問(wèn)題，因而能夠在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中減少伸縮縫的使用，增加橋梁的跨度，同時(shí)還可以控制橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩以及基礎(chǔ)的非彈性變形。

3 橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)措施

3.1 橋梁隔震設(shè)計(jì)原則

在橋梁的隔震設(shè)計(jì)中，必須把握好橋梁隔震設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)特點(diǎn)。

(1)隔震裝置的水平剛度越小，則自振周期延長(zhǎng)地越長(zhǎng)，上部結(jié)構(gòu)的加速度(或剪力)的減小效果越好，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

(2)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，會(huì)減小上部結(jié)構(gòu)的加速度(或剪力)響應(yīng)，同時(shí)也會(huì)減小結(jié)構(gòu)的位移增加趨勢(shì)。

(3)橋梁基礎(chǔ)強(qiáng)度會(huì)直接影響到橋梁的隔震設(shè)計(jì)效果，橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承載能力越高，對(duì)于提高減震效果越有幫助。

(4)在橋梁隔震設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)集中在減小上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、增加位移之間找平衡方面。

3.2 鉛芯隔震橡膠支座設(shè)計(jì)

鉛芯隔震橡膠支座由鋼板與橡膠分層疊合，經(jīng)高溫硫化粘結(jié)制作而成，并通過(guò)上下聯(lián)結(jié)板與結(jié)構(gòu)相連，裝置正中央為鉛芯。隔震橡膠支座主要由上連接板 上封板、鉛芯、多層橡膠、加勁鋼板、保護(hù)層橡膠、下封板和下連接板等級(jí)部分組成，在具體的隔震作用原理上，多層橡膠、加勁鋼板構(gòu)成多層橡膠支座主要是起到承擔(dān)建筑物重量和水平位移的作用，而鉛芯則是在多層橡膠支座剪切變形時(shí)，靠塑性變形吸收地震能量，在地震作用結(jié)束后，鉛芯又通過(guò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程，以及橡膠的剪切拉力的作用，確保橋梁結(jié)構(gòu)及時(shí)的恢復(fù)原位。鉛芯隔震橡膠支座的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于豎向剛度穩(wěn)定，豎向承載效果好，水平剛度能夠滿足地震和常規(guī)位移需求，鉛芯阻尼耗能能力強(qiáng)，而且鉛芯面積可調(diào)，方便支座阻尼比調(diào)整，支座的安裝及檢修更換方便，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較低，因而在橋梁隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常普遍。

(1)支座的布置。在鉛芯隔震橡膠支座的布置上，首先應(yīng)該對(duì)支座的設(shè)計(jì)位移量與橋梁因制動(dòng)力、溫度和混凝土收縮徐變等共同作用及地震力引起的位移是否匹配進(jìn)行驗(yàn)算分析，在布置上如果采用矩形支座宜，應(yīng)該設(shè)置確保支座短邊與縱橋向平行布置，當(dāng)橋梁橫向尺寸受限時(shí)，可采用支座長(zhǎng)邊沿縱橋向布置。

(2)支座的選型。支座的選型流程為，首先根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度以及場(chǎng)地類(lèi)型的不同確定鉛芯隔震橡膠支座的剪切模量，進(jìn)而確定鉛芯隔震橡膠支座圓形、矩形等本體形狀，之后對(duì)設(shè)計(jì)豎向承載力與設(shè)計(jì)剪切位移量進(jìn)行驗(yàn)算分析。在支座的具體選型過(guò)程中，必須考慮支座與橋梁結(jié)構(gòu)的配套適應(yīng)性，同時(shí)確保滿足橋梁結(jié)構(gòu)的空間位置要求;此外，套筒和錨桿等配套附屬件的設(shè)計(jì)選取應(yīng)當(dāng)安全、適用、經(jīng)濟(jì)、合理。

(3)支座的計(jì)算分析。在支座設(shè)計(jì)方法的選擇上，應(yīng)該按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中的相關(guān)要求，采用反應(yīng)譜法、動(dòng)力時(shí)程法和功率譜法對(duì)隔震裝置的性能設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算分析，如果橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性較為化，則應(yīng)該采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法。

3.3 摩擦擺球型支座

摩擦擺球型支座主要是由上支座板、不銹鋼板、上耐磨板、球冠、下耐磨板、橡膠密封環(huán)、下支座板、限位裝置及錨固組件等級(jí)部分組成。摩擦擺球型支座的隔震裝置是利用單擺原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，隔震系統(tǒng)的周期和剛度通過(guò)制作中滑動(dòng)表面曲率半徑進(jìn)行調(diào)整，阻尼則是通過(guò)運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)調(diào)整。通過(guò)高強(qiáng)的抗壓材料制作的中間滑板，在下部結(jié)構(gòu)發(fā)生地震位移時(shí)，產(chǎn)生指向平衡位置的恢復(fù)力，同時(shí)依靠滑板和滑動(dòng)面之間通過(guò)摩擦耗散能量。其設(shè)計(jì)流程主要有以下幾方面。

(1)隔震參數(shù)的確定。摩擦擺球型支座的隔震參數(shù)主要包括摩擦系數(shù)、隔震半徑(或周期)、地震位移量，為了準(zhǔn)確的獲得相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以通過(guò)反應(yīng)譜的方法，計(jì)算出不同烈度、不同特征周期的支座的隔震參數(shù)，并根據(jù)抗震重要系數(shù)、場(chǎng)地系數(shù)、阻尼調(diào)整系數(shù)、地震加速度峰值等相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值，進(jìn)而確定支座選型。

(2)支座的選型與布置。摩擦擺球型支座的布置應(yīng)該根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式確定，支座布置形式是橋梁隔震設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，會(huì)直接影響到支座的受力狀況。對(duì)于簡(jiǎn)支梁、小跨度連續(xù)梁一般采用單向活動(dòng)型支座，對(duì)于大跨度連續(xù)梁或多跨長(zhǎng)連續(xù)梁，主要采用雙向活動(dòng)型支座和柱面單向活動(dòng)型支座，同時(shí)控制支座設(shè)置在與固定墩的間距大于150 m 的中墩及邊墩位置，以免熱脹冷縮位移量過(guò)大導(dǎo)致支座高度變化過(guò)大影響橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力。

4 結(jié) 語(yǔ)

橋梁隔震設(shè)計(jì)作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要內(nèi)容，也是提高橋梁工程結(jié)構(gòu)安全性的基本要求。尤其是通過(guò)合理的隔震設(shè)計(jì)方案，在橋梁結(jié)構(gòu)的周期、動(dòng)力特性以及耗能等方面通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)，來(lái)降低橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的動(dòng)力響應(yīng)，確保橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)使用階段的安全可靠。

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