減、隔震技術在橋梁設計中的應用研究

李勝華

（重慶市勘測院，重慶400000）

0 引言

我國是地震發生較頻繁的國家，在發生地震危害時，如果橋梁受到破壞被截斷，便會大大增加救災的困難程度。以往，橋梁抗震設計是依靠對橋梁自身材料的強化，實現隔震、抗震效果，但由于地震往往難以準確預測，所以常規的抗震方法會因為缺乏調節能力而難以達到橋梁結構安全的要求。

對此，有必要采取科學、可靠的減震技術、設備，來削減地震震動對橋梁的作用力，從而最大程度地保持橋梁結構的完整性。將減、隔震裝置用于橋梁建設中，能有效削弱地震傳遞到結構中的能量與地震力，是非常必要的。

1 減、隔震技術概述

從字面來看，減、隔震技術能達到減震和隔震兩個設計目的。減、隔震技術是依靠改變建筑的設計結構來阻隔地震能量，避免其進一步的傳遞，該技術符合力學設計原理。其中，減震是依靠對各種裝置的合理設計、配置，來強化橋梁結構，這樣一來，當地震發生時，橋梁便可憑借自身的結構來吸收、緩解地震帶來的震動力；隔震則是通過結構的特殊設計，在震動時通過能量輸入來緩沖震動，進而縮減地震的作用力，確保橋梁結構不會動搖，保持穩定。

減、隔震技術的技術原理在于：

其一，橋梁設計中使用柔性支撐結構，通過對該結構的設置來延長周期，并減少地震帶來的影響。

其二，延長所需要使用的額外結構的位移量，可通過增大結構的能量耗散能力與阻尼值的方式實現。為此，需要在橋梁設計中合理選擇阻尼器式能量耗散基礎元件。

其三，為保證橋梁結構的荷載滿足要求，可在橋梁結構設計時合理設置間隔部件，以有效支撐整個橋梁結構[1]。

其四，抗震延性設計，指的是根據橋梁結構的受力情況，在適宜的位置上放塑性鉸，并進行細致的設計結構。延性設計是為了在地震時盡量減少對橋梁的震動破壞，確保橋梁的完整性。如果遇到等級高的地震，延性設計還能防止結構坍塌。當然，最需注意的是，延性設計時需要重視橋梁自身的最大基地剪力差距，避免橋梁發生結構性損害。

其五，對橋梁的結構控制具有一定的復雜性，可分為三類：主動控制、被動控制以及混合控制技術。減、隔震屬于被動控制技術，能優化橋梁的整體結構，如此在遭遇地震時，就能減小結構響應。實踐表明，對減、隔震技術的控制，能強化橋梁的抗震性能。

2 減、隔震技術的類別與優勢

2.1 類別

一是減、隔震設備可設計成黏滯阻尼器，該結構的主要作用是直接吸收外力，從而降低外力對橋梁的傷害，提升抗震性能，達到安全性要求。

二是減、隔震設備也可以設計成擺式摩擦滑動支座與鉛芯橡膠隔震支座這兩種形式。這兩種支座雖然存在根本區別，但共通之處是能夠有效保護橋梁結構不被外力破壞，增加結構的使用周期。如果聯合使用摩擦滑動支座和鉛芯橡膠隔震支座，則能夠有效吸收外力能量，使保護效果變得更強，可以大大提高橋梁使用的穩定性和安全性。

2.2 優勢

將減、隔震技術應用于橋梁設計中，其優勢主要體現在以下幾方面：

第一，使用了阻尼器、支座等擁有抗震效果的結構部件后，不但能實現橋梁上、下部結構荷載的均勻分布，還能提高橋梁整體的柔度和阻尼系數，從而有效保護橋梁的完整性。

第二，減、隔震技術的應用，能強化橋梁結構的橫向剛度，讓橋梁擁有較高的橫向阻尼性能，避免出現結構過度扭轉的情況，同時也能減小地震發生時橋面的橫向荷載參數。

第三，和傳統的抗震結構相比，減、隔震技術的性能更好，工程成本投入更少[2]。

第四，傳統的抗震結構在設計時容易受到諸多外部因素的影響，內部構件也會出現變化，無法有效控制和保護橋梁。而新型減、隔震技術有科學的力學模型計算作支撐，受力結構更平衡、合理，因此能更好地保護橋梁。

第五，設計人員可參考橋梁結構受力，在合適的位置安設塑性鉸，再通過對細部結構的構造，實現高質量的延性設計，從而在地震發生時最大程度地保護橋梁。

3 橋梁設計應用減、隔震技術的原則

為保證減、隔震技術運用的有效性，使橋梁設計滿足經濟性、安全性、抗震性、隔震性的要求，需要明確相關原則。具體如下：

其一，提前考察原則。減、隔震技術的運用，需要從實際出發，制定科學的橋梁設計方案。為此，設計人員在設計方案前，需要先進行實地考察和研究，充分把握現場的地質情況，如橋梁施工地的土質、地基等。在全面了解這些可能影響橋梁設計的情況后，結合相應的計算分析，才能進行橋梁設計，以此確保橋梁結構應用減、隔震技術后，其抗震性能更可靠。

其二，抗震設計原則。減、隔震技術應用的目的，就是減小地震對橋梁的破壞。所以，在該技術的應用過程中，需確保其抗震性能的設計達標，符合相關的抗震要求，進而延長橋梁的使用壽命。

其三，優化橋梁結構設計原則。為了充分提升橋梁的整體性設計效果，保證其延性滿足要求，在設計橋梁結構的時候，應合理選擇塑性鉸等裝置，來確保橋梁的穩定、安全。

其四，合理選擇設備原則。在進行橋梁的減、隔震設計時，需要從實際出發，選擇契合要求的減、隔震設備，以此達到規定的減、隔震設計標準。設計師要在充分考量地質條件、橋梁結構、抗震性能等方面的基礎上，選擇合適的減、隔震設備，以此避免因為選擇不適合的減、隔震設備而影響橋梁的安全、穩定性。另外，對減、隔震設備的選擇還應遵循操作簡便、安全性高、質量優良等原則，根據目前橋梁建設的實際應用，可以選擇黏滯阻尼器、擺式摩擦滑動支座、鉛芯橡膠支座等設備。

4 減、隔震技術在橋梁設計中的合理應用

4.1 黏滯阻尼器

在設計橋梁結構的時候，設計師都會考慮橋梁的抗震性能，他們常用的裝置就是阻尼器。以往，傳統的抗震方法是借助構件的彈塑性變形來吸收地震能量。但隨著技術的發展，這一傳統方法已無法滿足結構的抗震需求。簡單來說，阻尼器是一種能耗型設備，為關系活塞運動速度的裝置[3]。而黏滯阻尼器則是一種速度加耗能的裝置，其能借助液體的黏性提供阻尼，進而消耗震動能量。黏滯阻尼器的黏滯材料，是以阻尼為介質的速度型被動減震耗能裝置。該裝置適用于各種地震烈度區的橋梁建筑，安裝、維護和更換都方便簡單。黏滯阻尼器的結構分為缸筒、黏滯流體、活塞等，將黏滯流體灌注到缸筒中，活塞可基于缸筒進行重復運動，在活塞上開出小孔或在活塞和缸筒間隔出空隙。如果橋梁結構發生變形，活塞和缸筒就會開始運動，黏滯流體便會通過小孔滲出，進而生成阻尼力，通過黏滯消耗震動能量，最終實現減震效果。在進行橋梁設計時應用黏滯阻尼器，設計師應在橋梁邊墩中間位置安設該裝置，或者也可以將其放在加勁梁或輔助墩中部。另外，為全面提升結構的減、隔震設計效果，保證減、隔震設備能發揮最優作用，設計師需細致計算、設計各項技術參數，使結構性能滿足使用所需。

4.2 擺式摩擦滑動支座

擺式摩擦滑動支座，是美國Zayas 等人在1985年提出的概念，并由EPS 公司制作而成。剛開始，該支座被用于房屋建筑中，后來逐漸被廣泛普及于橋梁、大型儲油罐等的結構設計中。和別的支座相比，擺式摩擦滑動支座有著更強的承載力，易復位，所以可以承受更大重量的橋梁。因此，設計人員在設計橋梁結構時，需要合理應用擺式摩擦滑動支座，提升橋梁的抗震性能。

擺式摩擦滑動支座將鐘擺和滑動支座相結合，通過干摩擦滑移發揮隔震效果。該支座的滑動面為曲面，通過結構自身的重量供給自我復位功能。擺式摩擦滑動支座可依靠摩擦耗能的方式將地震傳遞的能量轉化為熱能，然后靠擺式結構將能量轉化為勢能，以此延長結構的自震周期，達到阻尼效果。擺式結構可完成自我位移復位，從而提高地震發生時的隔震性能，避免震后調整工序，而且因為其體積相對較小，所以有著廣泛的應用前景[4]。

另外，目前國內的擺式摩擦滑動支座大多由聚四氟乙烯和不銹鋼構成，支座摩擦板以聚四氟乙烯材料為主，和不銹鋼材料之間產生的摩擦系數在0.06 左右。地震災害發生時，在地震活動的作用下，當擺式摩擦滑動支座在支撐梁體時所受的摩擦力未能大于慣性力時，梁體和支座間的曲面會發生滑移，從而達到延長橋梁結構震動周期的作用。

4.3 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座是一種常見的、用于減震及隔震的設備，其有著吸收耗散能量的特質[5]。改變該支座的水平加載方向，并不會影響其滯回特性，它對耗散震動能量的吸收主要依靠支座高度和鉛芯面積。因此，可以通過對鉛芯直徑的調整和支座高度的自由選擇，配合橋梁的抗震需求。鉛芯橡膠支座的組成部分分為層狀橡膠、鋼板和鉛芯，層狀橡膠能支撐荷載，鉛芯則能吸收耗散能量。和一般的板式橡膠支座相比，其不同之處在于，鉛芯橡膠支座的上面和下面都粘著有厚度鋼板，并加裝了鉛芯。

鉛芯橡膠支座是整體型減、隔震支座中的一種，它的豎直方向能為橋梁結構提供支持，水平方向則具有良好的柔性，能承受較大變位，進而使橋梁結構的震動長周期化。而且，該支座還能依靠黏滯阻尼對耗散震動能量進行吸收，增強橋梁結構的阻尼，實現削減地震影響的減、隔震目的。在發生地震時，支座中的鉛芯會屈服，剛性降低，周期增加，從而最大程度地降低地震產生的外力[6]。在該狀態下，由于支座的鉛芯有較高的初始剛度，形變很小，穩定性好，所以能吸收大部分地震能量，達到減、隔震的效果。

4.4 梁間連接器

梁間連接器這一減、隔震技術設備，能顯著提升橋梁的穩定性，這一裝置具有阻擋震動傳播的功用。梁間連接器主要用來解決落梁問題，它會在橋梁遭到破壞時，對橋梁結構起到保護作用。依照其實用性和連接難度，連接器的應用主要分為兩種形式：

第一，安裝連接裝置于橋梁腹板位置，通過運用連接鋼板連接兩端，并在兩側采取預留槽設計，在預留槽上安裝墊板和固定螺栓。該方法通過對預留槽的合理應用，能有效限制位移。

第二，安裝連接器于橋梁兩翼位置。在實際連接時，因為有多種連接手段，所以設計和施工單位需要根據橋梁的現實情況和地區的地震規律，選擇合適的連接方案[7]。

4.5 高阻尼橡膠支座

高阻尼橡膠支座是由天然橡膠與各種配合劑相結合，從而顯著增強橡膠阻尼性能，增加滯后損失，減少儲存模量。然后，再將調配出來的、擁有良好阻尼性能的橡膠，制作成為類似一般橡膠的疊層裝置[8]。高阻尼橡膠支座有著優良的隔震性能，且適用范圍廣泛，性價比高，常被用于新型橋梁建設和房屋建筑中。因為高阻尼橡膠支座的制作工藝簡單，產品力學性能過關，所以在“5·12”大地震后得到了大面積的應用和普及。

就該支座的設計原理來看，其一，在豎向承載方面，其主要依靠加勁鋼板提供可靠、穩定的豎向承載力量，確保橋梁日常工作的可靠和安全。其二，在水平受力方面，該支座使用的天然橡膠強度大，和鋼板黏結得緊密、扎實，水平方向受到日常的震動或地震的震動沖擊時，也能確保橋梁不會由于內部遭受破壞而致使功能受損。其三，在設計理論方面，該支座主要依靠特殊的阻尼配方來提高隔震性能，并消耗地震傳遞來的水平震動能量。地震發生后，該支座會在豎向給橋梁提供支撐，在水平方向上則不會將能力全部傳輸給橋梁，而會在地震波重復活動中，把震動能量轉變為熱量消耗干凈。如此，能大大削減橋梁遭受的地震力破壞，進而保持橋梁結構的完整、堅固。

5 結語

橋梁在使用過程中如果遇到地震，其上、下部結構都會受到影響，從而給群眾的人身安全和國家的財產安全帶來危害。對此，采取有效的減、隔震技術于橋梁設計中，非常必要。設計人員應根據橋梁所處的地震帶和相關情況綜合分析后，科學選擇、設置黏滯阻尼器、擺式摩擦滑動支座、鉛芯橡膠支座、梁間連接器等裝置，從而保證橋梁結構的穩定性，提高其減、隔震效果，更好地控制橋梁建設工程的質量，延長橋梁的使用年限。