橋梁結構設計過程減隔震技術應用分析

文/周駿、張輝

1 前言

地震是自然界中傷害比較大的災害事故，不僅會給人們的生命財產安全產生不利的影響，而且會嚴重阻礙社會的發展和進步，導致工程結構穩定性無法滿足要求。為了能夠使得橋梁結構性能符合要求，設計人員必須要結合工程的需要采用最佳的減隔震技術，提高結構的綜合性能。因此，專業人員要積極研發和應用減隔震技術，提升橋梁結構性能，保證工程的質量合格。

2 減隔震技術概述

2.1 減隔震技術的概念

橋梁工程項目在確定結構設計方案的過程中，減隔震技術都是極為重要的一項技術，能夠達到減震、隔震的標準。前者應用的是阻尼、損耗等形式可以實現結構性能優化，保證地震出現后不會出現結構性能下降的情況，可以有效地吸收地震能量；后者是應用特殊結構設計方式，能夠通過緩沖的方式來吸收地震能量，防止產生過大的作用力情況，包含橋梁結構的安全性。

2.2 減隔震技術的原理

減隔震在應用中，要結合工程的需要設置必要的減隔震裝置，具體從下面幾點出發。

2.2.1 延性設計：這一方面在設計中是指采取必要的措施實現結構的優化設計，能夠應用必要的塑性鉸來實現抗震性能的提升。延性設計符合要求后，促進結構性能的提高，達到抗剪性能的標準，避免橋梁結構發生損壞的問題。

2.2.2 結構控制設計：橋梁設計環節，主要是可以利用混合控制、主動控制、被動控制等方式。減隔震設計階段，通常都會使用被動控制的方式，讓結構性能得以優化，保證抗震效果符合技術標準。

3 常見的減隔震裝置

3.1 鉛芯橡膠支座裝置

鉛芯橡膠支座裝置就是把一系列的鉛芯直接設置到分層的橡膠座中，組合成為穩定的減隔震設備形式。通過鉛芯所具備的剛度性能，發揮出橡膠支座的彈性，延長使用壽命，消耗地震所產生的能量沖擊影響。

3.2 粘滯阻尼減隔震裝置

粘滯阻尼減隔震裝置和活塞的工作原理是類似的，其主要是通過活塞運動之后形成壓力差，將粘滯流體直接推入到節流孔內，實現地震能量的消耗，避免給橋梁造成巨大的損壞。該種樁柱的形式有著如下的優勢：

3.2.1 粘滯阻尼減隔震裝置其結構的強度比較高，并且能夠承載比較大的地震力，不會導致橋墩的損壞。

3.2.2 沒有出現地震的情況之下，粘滯阻尼減震的結構形式所存在的應力是很小的，所以并不會造成橋梁難以正常的運行[1]。

3.3 高阻尼橡膠支座裝置

高阻尼橡膠支座中加入了石墨、塑料、纖維等阻尼效果比較好的材料，可以更好地防止地震產生的不利影響。這種結構形式的主要優勢就是其能耗量是巨大的，可以吸收地震所產生的巨大能量，而不足之處就是在吸收的同時會導致很多熱量的產生。

3.4 滑動摩擦型支座

這一結構形式的應用，具體的施工材料就是聚四氟乙烯，能夠達到應有的效果。在地震災害出現之后，支撐在滑動摩擦型支柱中的梁體摩擦力要明顯的比慣性力小，可以保證二者的滑移達到標準的要求，并且能夠有效延長其振動周期，最終可以促進抗震性能的提升，滿足橋梁運行安全性的標準。

4 實例分析減隔震技術在橋梁結構設計中的應用

某橋梁項目在設計中，采用的是變截面預應力混凝土連續橋梁的形式。設計方案中確定應用的是盆式橡膠支座減隔震的結構形式，能夠達到橋梁的抗震效果優化方式，采取有效的優化設計方式。

4.1 減隔震技術設計方法

首先是進入到施工現場進行全面的勘察和分析，了解當地的地質條件、水文狀態、地震發生特點等具體的狀況，然后進行橋梁結構的優化，從而可以使得該橋梁的減隔震效果符合要求，達到橋梁的使用標準。根據已經確定的減隔震實施方案，在規定的隔震周期中進行橋梁結構性能的計算與分析，確定最為合適的結構技術參數，從而可以保證整個工程的減隔震方案具備可行性。為了提升減隔震處理效果和減隔震裝置的作用，做好細節優化設計，防止出現橋梁屈服早于減隔震屈服的方式[2]。

4.2 減隔震系統的設計

4.2.1 本次工程為B 橋梁的形式，在進行減隔震系統的設計過程中，首先應該保證中震的條件下各個橋梁結構部分是彈性的形式；其次在大震發生之后，有些潛在塑性區而存在塑性的條件，整個橋梁結構達到穩定性的標準。

4.2.2 減隔震技術在選擇中應該考慮到該工程的具體狀況，計算確定三種減隔震方案，即板式橡膠座、鉛芯橡膠支座、盆式橡膠支座，結合實際情況選擇最佳的方式。

4.3 不同減隔震方案的固有周期計算分析

考慮到這幾種減隔震的技術方案，在工程中應用迭代法來開展各個支座方案的固有周期計算分析。從表1中的數據分析發現，原有盆式橡膠座的減震方案，能夠延長橋梁的結構固有周期，但是要比其他兩種方式差，減震效果也無法滿足要求[3]。

表1 不同類型減震技術的固有周期技術數據

4.4 中震反應譜分析

為了能夠更進一步地了解不同減震方案中的耗能狀況，橋梁中震的條件之下，潛在塑性區是彈性條件下，經過深入分析，應用的是板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座的方式。

表2 中震情況下墩底彎矩響應數據分析

4.5 大震彈塑性時程分析

本次工程中應用的塑性時程分析方法在大震發生之后，橋梁結構出現位移響應狀態的分析，可見表3所示。從該表內數據分析發現，與傳統板式橡膠支座分析發現，鉛芯橡膠支座的橋梁可以有效減小地震力的作用，結構穩定性比較好，地震發生之后也不需要進行減隔震裝置和橋墩部分的維修。因此，該橋梁工程選擇使用鉛芯橡膠支座的方式作為減隔震形式。

表3 大震結構響應對比數據分析

4.6 其他減隔結構設計

為了可以讓橋梁工程的橫向變位適應能力達到應用的需要，可以利用工程中的梳齒型伸縮形式符合標準要求，使地震出現后不會導致嚴重的變形問題，否則將會出現落梁的問題。因此，在橋梁的結構中可以通過應用拉索式連梁結構以達到工程技術標準[4]。

5 橋梁項目中減隔震設計的要點

5.1 結構加固設計要點

目前我國的橋梁很多都是采用混凝土的結構形式，除了地質、自然等多個方面的影響因素之外，還有固定荷載的存在，也會給橋梁結構穩定性造成比較大的影響。橋梁一般使用年限可以達到幾十年以上，出現老化嚴重的情況就會導致其防震、抗震等效果比較差。如果直接進行橋梁工程的拆除重建，就會導致資金付出量大且交通受到不利的影響。為了防止在橋梁工程建設中出現質量問題，在初期設計中要綜合分析多種影響因素，給后續的橋梁結構優化設計提供基礎條件。當前的橋梁結構加固設計中，通過合理應用加鋪鋼材或者擴大橋梁截面的方式來實現。經濟與技術的快速發展下，橋梁結構加固技術手段和方式逐步增多，比如纖維增強材料的應用，能夠保證橋梁的綜合性能得以提升。

5.2 節點抗震設計要點

從橋梁結構的構成方面分析發現，節點是極為重要的傳力結構部件，主要的作用是承載和傳遞載荷的作用，同時能夠聯系橋墩和橋梁的結構，使整體結構更具穩定性。從某個方面分析，節點是橋梁項目中起到極為重要的作用，直接影響橋梁的穩定性和可靠性，因此要做好強度與剛性的控制。當前橋梁項目建設中，如果蓋梁剛度和橋梁剛度自身是比較接近的，那么在地震出現之后側向慣性力會給結構造成極為嚴重的破壞性，同時節點部位的箍筋也會受到較大作用力的影響，導致節點的剛性下降，直接威脅整體結構性能。因此，節點抗震設計能夠促進橋梁結構性能的提升。

5.3 “性能”抗震設計

在具體的橋梁項目的結構設計環節，從性能角度分析來做好抗震結構的設計，被廣泛使用到實踐中。市政橋梁項目中進行減隔震方面的設計，提升結構設計效果，首先應該綜合分析界定橋梁的抗震性能和整體減隔震的性能。抗震性能就是規定的有限破壞條件之下結構或者非結構的方面出現嚴重的破壞性因素。從這一理論出發分析，通常來說不會導致其出現倒塌的情況，沒有進行修復就可以繼續使用，也不會出現嚴重損壞的情況。但是市政橋梁項目在進行設計中，通過減隔震設計方案的確定，能夠有效提升抗震性能，降低橋梁運行的風險。在提升抗震性能的基礎條件之上，應該重視其抗震設計目的和效果的分析，結合國家標準以及行業技術規范來進行必要的設計，使設計方案的效果符合要求，促進橋梁工程中減隔震綜合性能的提升，滿足橋梁運行的安全性需要[5]。

5.4 優選減隔震的裝置

在進行市政橋梁項目的減隔震設計中，采取科學合理的措施可以促進橋梁的減隔震性能的提升，還要結合工程的實際需要優選減隔震的裝置，符合橋梁工程的實際應用需要，達到性能的標準，提升橋梁工程的減隔震效果，即使發生地震之后也不會造成嚴重的損壞影響。通過合理的減隔震裝置選擇，提升減隔震裝置在應用中的性能和標準，摩擦擺減隔震制作方式的鐘擺工作原理，通過設定的滑動界面交互摩擦的方式來造成地震能量的消耗，從而提升其減隔震的應用效果。鉛芯橡膠座的結構形式是一種板式橡膠制作作為基礎設計的，結合自身的重力和外部作用力的影響之下讓鉛芯組合成為帶有阻尼的塑性變形的形式。此時會直接吸收掉地震所產地的能量，然后得到橡膠結構部分恢復作用力，保證橋梁結構恢復到應有的使用效果。

此外，在具體的橋梁項目設計環節，上述這些減隔震裝置的應用都不是獨立進行的，不同的裝置之間能夠進行相互配合與利用，實現優勢互補，有效地促進橋梁工程項目減隔震效果的提升，保證橋梁的應用性能滿足要求。比如，在減隔震的結構設計中，通過合理的應用阻尼器與分層橡膠支座的方式，或者是應用阻尼器、橡膠支座、滑動摩擦支座等聯合的方式，提升減隔震裝置在橋梁工程中的應用效果和橋梁項目的抗震效果。

6 結語

綜上所述，為了能夠促進橋梁抗震性能的提升，設計人員在橋梁的結構設計中會選擇各種形式的減隔震技術。但是在具體的實際操作中依然有很多問題無法保證，導致減隔震的裝置無法達到使用的需要。因此，設計中可以結合實際需要應用減隔震結構形式，提高技術水平，保證減隔震發揮出應有的作用，提高抗震綜合性能，提升橋梁運行安全性和交通運行質量。