公路橋梁隔震設計探討

劉 洋

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

1 橋梁隔震設計理論

1.1 橋梁隔震設計概念

橋梁設計中的隔震設計是指在橋梁建設過程中安裝隔震器，從而使得橋梁水平方向可以得到柔性的支撐，這樣就可以從水平上延長其周期。同時，安裝阻尼器，這樣做的目的是提高橋梁的阻尼效應，在發生地震的過程中，可以強化其抗震能力，如圖1 所示。在橋梁設計中強化隔震設計，可以有效分散地震后的地震力在橋梁各構件的分布情況，這樣可以有效協調橋梁的平衡，弱化地震力對橋梁整體結構的影響。在設計橋梁的上部結構時，需要采取一定措施防止地震后橋梁的上下部結構超出建設的彈性范圍引發結構變形。可以在設計過程中增加隔震系統，這樣就能夠取得較好的抗震效果，也可以在不增加工程造價的基礎上提升橋梁的性能。一般情況下，為了提升橋梁的抗震能力，需要采用隔震支座，其會隨著周圍環境的變化而變化，但是變形幅度較小，因此在公路橋梁建設中多用于多跨連續梁橋中。在橋梁經過較大的地震之后，可以更換隔震裝置，維修較為簡便。

圖1 隔震原理

1.2 橋梁隔震原理及分析方法

隔震設計的原理是基于抗震設計理論之上的，但是其主要目的不是抵御地震，而是盡力降低地震對于橋梁各個構造的影響，這就意味著需要在橋梁結構中增加柔性的支柱，減小變形，弱化橋梁各個構造之間的水平運行關聯性，使得在地震來臨之前就可以利用反應加速度的作用減小地震對于橋梁的損害。上述文中所提到的阻尼設計，如圖2 所示，就可以抵御地震所持有的能量，使得橋梁上部結構穩固。隔震設計的應用主要體現在其可以最大化地消耗地震部分能量，從而延長橋梁各個部件的使用壽命。在橋梁設計中強化隔震設計，需要利用相關知識對其進行綜合考量，使得橋梁每個部件都具有一定的可塑性和彈性，并通過嚴密的計算和設計保證隔震裝置的適用性和功能的正常發揮。

例如，在橋梁設計中應用隔震技術可以避免地震后橋梁的下部結構損壞的問題。這是因為隔震設計的針對性較強，可以使得橋梁結構自身具有自我保護和抵御外部力量的能力，降低橋梁自身的延性。各種減隔震支座屈后剛度的對比可以優化隔震設計。屈服力的計算式(1)

圖2 阻尼示意圖

式中:μ 為支座的動摩擦系數;W 為支座的恒載反力。

在隔震設計中，需要用到兩個參數，一是屈前剛度，二是屈后剛度。屈前剛度計算式(2)

式中:Δd 為設計位移。

屈后剛度的計算式(3)

式中:R 為支座的隔震半徑。

通過式(1)、(2)、(3)計算，可以得出支座體系的隔震周期

式中:g 為重力加速度。

1.3 隔震設計原則

(1)需要進入建設場地進行實地考察，保證橋梁在長時間的使用中不會降低其隔震能力，并且根據考察的情況對隔震技術的使用進行探討，確立橋梁抗震設防級別，如表1 所示，不能盲目施工，這樣會降低其設計的合理性，使得橋梁自身的防御能力弱化;(2)雖然采用隔震措施，但是不表示其可以完全抵抗地震作用，需要采用其他輔助設施進行加強;再次，在選擇隔震裝置時，要遵循力學性能原理，使用較為簡單的構造;(3)在地震中，橋梁安置的上部結構會有改變，需要在地震結束之后進行修復;(4)在隔震設計初始，需要根據當地的地質構造夯實地基，這樣才能保證隔震裝置的適用性。

表1 橋梁抗震設防分類

2 公路橋梁隔震設計要點

2.1 隔震裝置

目前我國橋梁采用的隔震裝置主要有以下幾種:隔震支座、阻尼器、柔性橋墩。隔震支座在地震中作用較為顯注，特別是鉛芯橡膠支座。在設計過程中，應根據橋梁墩高組合和聯長情況，計算橋墩的水平剛度，再選用隔震支座。地震作用下，橋墩剛度過大，則會優先被剪切破壞，特別是岸邊的次邊墩，墩高較小，在地震作用下最不利。在滿足受力的前提下，應優先選擇柔性橋墩，減小墩柱直徑。但橋墩延性進行橋梁結構抗震設計時，應以減隔震設計為主，延性設計為輔，避免橋墩先于減隔震支座屈服。

2.2 重視附屬構造對橋梁隔震的作用

在橋梁隔震設計中，較為常見的附屬結構具有一定的合理性，可以通過對橋梁裝置、限位裝置對地震災害影響的討論得知，附屬構件設計的合理程度對橋梁整體的抗震能力的高低也有影響。所以，需要相關設計人員加深對附屬結構的認知，并對橋梁抗震性能進行評估。在設計附屬結構時，保證細部構造的連續性，使其成為一個有機整體。

2.3 隔震方法選用

隔震裝置設計是橋梁隔震設計的重點，當前很多國家使用的最為廣泛的隔震方法是彈性反應譜法。在日本、美國和歐洲有著不同的類型規范，其計算公式也有差異，但是這些計算公式的應用都可以通過阻尼器的具體使用實現橋梁的抗震功能。對于結構較為復雜的橋梁，可以使用時程法進行設計。彈性反應譜法是當前隔震設計中應用較為便捷的方法之一，其自身是動態且較為完善的設計系統，只要將其帶入公式進行計算，就可以了解地震對于橋梁的影響程度。

3 橋梁隔震設計實例分析

某50 m+86 m +50 m 連續梁橋，上部結構采用變高等寬預應力混凝土箱梁，跨中梁高為2.2 m，端部梁高為4.8 m;單箱四室，箱梁的頂緣寬度為24.3 m，底板寬度為19.3 m。下部結構主墩為矩形墻式薄壁墩，基礎為承臺樁基礎，地質情況較好，均嵌入巖層中。支座在橋墩處采用鉛芯橡膠支座，橋臺處采用四氟式滑板橡膠支座。根據相關規范和經驗選取橡膠支座參數，建立橋梁隔震計算模型，運用非線性進程分析法計算。如圖3。

圖3 人工地震波圖

模態分析結果如下:振形圖可以看出，振形和周期與采用普通支座相比，有較大的變化，在地震波的作用下，上部結構影響較小。

4 結束語

綜上所述，橋梁隔震設計可以提高橋梁整體的抗震性能，提高其安全性和可靠性，延長使用壽命。在橋梁遭受地震之后，也可以通過簡單的維修或者是更換隔震設備保證其使用性能。通過設置隔震支座，調整橋墩與橋臺的水平剛度分配，可有效減小地震對上部結構的作用。

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