公路橋梁隔震設(shè)計探討

劉 洋

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司)

1 橋梁隔震設(shè)計理論

1.1 橋梁隔震設(shè)計概念

橋梁設(shè)計中的隔震設(shè)計是指在橋梁建設(shè)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(yīng)，在發(fā)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(shè)計中強化隔震設(shè)計，可以有效分散地震后的地震力在橋梁各構(gòu)件的分布情況，這樣可以有效協(xié)調(diào)橋梁的平衡，弱化地震力對橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響。在設(shè)計橋梁的上部結(jié)構(gòu)時，需要采取一定措施防止地震后橋梁的上下部結(jié)構(gòu)超出建設(shè)的彈性范圍引發(fā)結(jié)構(gòu)變形。可以在設(shè)計過程中增加隔震系統(tǒng)，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(chǔ)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(huán)境的變化而變化，但是變形幅度較小，因此在公路橋梁建設(shè)中多用于多跨連續(xù)梁橋中。在橋梁經(jīng)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(shè)計的原理是基于抗震設(shè)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(gòu)造的影響，這就意味著需要在橋梁結(jié)構(gòu)中增加柔性的支柱，減小變形，弱化橋梁各個構(gòu)造之間的水平運行關(guān)聯(lián)性，使得在地震來臨之前就可以利用反應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)穩(wěn)固。隔震設(shè)計的應(yīng)用主要體現(xiàn)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(shè)計中強化隔震設(shè)計，需要利用相關(guān)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(shè)計保證隔震裝置的適用性和功能的正常發(fā)揮。

例如，在橋梁設(shè)計中應(yīng)用隔震技術(shù)可以避免地震后橋梁的下部結(jié)構(gòu)損壞的問題。這是因為隔震設(shè)計的針對性較強，可以使得橋梁結(jié)構(gòu)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(yōu)化隔震設(shè)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(shù);W 為支座的恒載反力。

在隔震設(shè)計中，需要用到兩個參數(shù)，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(shè)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(shè)計原則

(1)需要進入建設(shè)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(jù)考察的情況對隔震技術(shù)的使用進行探討，確立橋梁抗震設(shè)防級別，如表1 所示，不能盲目施工，這樣會降低其設(shè)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(shè)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(gòu)造;(3)在地震中，橋梁安置的上部結(jié)構(gòu)會有改變，需要在地震結(jié)束之后進行修復(fù);(4)在隔震設(shè)計初始，需要根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)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(shè)防分類

2 公路橋梁隔震設(shè)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(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)橋梁墩高組合和聯(lián)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(yōu)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(yīng)優(yōu)先選擇柔性橋墩，減小墩柱直徑。但橋墩延性進行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，應(yīng)以減隔震設(shè)計為主，延性設(shè)計為輔，避免橋墩先于減隔震支座屈服。

2.2 重視附屬構(gòu)造對橋梁隔震的作用

在橋梁隔震設(shè)計中，較為常見的附屬結(jié)構(gòu)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(zāi)害影響的討論得知，附屬構(gòu)件設(shè)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(guān)設(shè)計人員加深對附屬結(jié)構(gòu)的認知，并對橋梁抗震性能進行評估。在設(shè)計附屬結(jié)構(gòu)時，保證細部構(gòu)造的連續(xù)性，使其成為一個有機整體。

2.3 隔震方法選用

隔震裝置設(shè)計是橋梁隔震設(shè)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(yīng)譜法。在日本、美國和歐洲有著不同的類型規(guī)范，其計算公式也有差異，但是這些計算公式的應(yīng)用都可以通過阻尼器的具體使用實現(xiàn)橋梁的抗震功能。對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的橋梁，可以使用時程法進行設(shè)計。彈性反應(yīng)譜法是當前隔震設(shè)計中應(yīng)用較為便捷的方法之一，其自身是動態(tài)且較為完善的設(shè)計系統(tǒng)，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(shè)計實例分析

某50 m+86 m +50 m 連續(xù)梁橋，上部結(jié)構(gòu)采用變高等寬預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)主墩為矩形墻式薄壁墩，基礎(chǔ)為承臺樁基礎(chǔ)，地質(zhì)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(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗選取橡膠支座參數(shù)，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(tài)分析結(jié)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(jié)構(gòu)影響較小。

4 結(jié)束語

綜上所述，橋梁隔震設(shè)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(shè)備保證其使用性能。通過設(shè)置隔震支座，調(diào)整橋墩與橋臺的水平剛度分配，可有效減小地震對上部結(jié)構(gòu)的作用。

［1］趙青.小議市政橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的重要性［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，(12):11－12.

［2］趙云鵬.淺析隔震設(shè)計在市政橋梁設(shè)計中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2014，(12):45－46.

［3］秦漢禮.市政橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的探討［J］.城鄉(xiāng)建設(shè)，2013，(23):90－91.

［4］黃毅，余久成.市政橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的探討［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2014，(20):77－78.