橋梁隔震設計研究

葉超

（中設設計集團股份有限公司，江蘇南京210014）

橋梁隔震設計研究

葉超

（中設設計集團股份有限公司，江蘇南京210014）

首先分析了橋梁工程震害，然后概述了橋梁隔震設計的技術原理和原則，進而詳細論述了橋梁隔震設計的具體做法，以期為橋梁工程隔震設計工作的實施開展和增強橋梁整體抗震性能提供合理的參考。

橋梁結構；隔震；設計研究

0 引言

近年來的地震災害經驗表明，隨著城市現代化的發展，交通網絡在整個城市生命線抗震防災系統中越來越重要。地震均給當地的交通網絡造成嚴重的破壞，導致巨大的直接和間接經濟損失。因此客觀上要求橋梁抗震效能的增強與改善。橋梁設計中的隔震設計是建設橋梁過程中一個非常重要的措施，加強對隔震設計應用的研究，有利于提升橋梁工程的質量。在此期間，各國地震工作者與結構工程師對橋梁結構抗震展開了大量的研究，都在修改或制定新的橋梁抗震設計規范。主要結構抗震設計方法包括動力概念設計、強度設計、位移設計、延性設計、減隔震設計等。重視并做好橋梁設計中的隔震設計至關重要，對維護社會穩定具有重要意義。由此可見，橋梁在城市發展中的作用日益顯現和提高，本文對市政橋梁設計中的防震設計進行了分析探討[1]。

1 橋梁工程震害分析

調查與分析橋梁的震害及其產生的原因是建立正確的抗震設計方法，采取有效抗震措施的科學依據。橋梁的震害主要表現為：（1）上部結構的破壞：橋梁上部結構本身遭受震害而被毀壞的情形比較少見，往往是由于橋梁結構其他部位的毀壞而導致上部結構的破壞；（2）支承連接部位的震害：橋梁支承連接部位的震害極為常見。由于支承連接部位的破壞會引起力的傳遞方式的變化，從而對結構其他部位的抗震產生影響，進一步加重震害。在我國海城、唐山地震中，就有不少支座破壞以及連接措施不當引起落梁的例子[2]；（3）下部結構和基礎的震害：下部結構和基礎的嚴重破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的主要原因。除了地基毀壞的情況，橋梁墩臺和基礎的震害是由于受到較大的水平地震力，瞬時反復振動在相對薄弱的截面產生破壞而引起的。從大量震害實例來看，比較高柔的橋墩多為彎曲型破壞，矮粗的橋墩多為剪切型，介于兩者之間的則為混合型。

通過對橋梁震害的進一步分析，可以將橋梁震害的起因分為以下幾類：（1）由于砂土液化，地基下沉，岸坡滑移或開裂而引起基礎的破壞，從而導致橋梁的倒塌。因此，在選擇路線和橋位時，應繞避對抗震不利或危險的地段。（2）因橋梁結構形式、構造或連接措施不當而引起落梁等震害。在1994年美國的Nor t hri dge地震和1995年日本的阪神地震中,用逐跨施工法修建的連續高架橋損壞特別嚴重。由于這種連續高架橋的結合部常設在跨內彎矩較小處，結合部主要傳遞剪力，構造簡單，但牛腿太短，支承面過窄，在強烈的地震豎向和水平作用下，結合部損壞，使結構處于長懸臂狀態，產生斷裂而塌落。這些震害給我們的啟示是：一定要進行正確的概念設計，避免使用先天不良的抗震結構體系。而大量因局部構造或連接措施不當而造成的震害實例則一再告誡我們要重視構造和連接措施的設計。（3）橋梁墩柱本身抗震能力不足引起的破壞，包括強度和延性的不足。在歷次大震中，大量鋼筋混凝土墩柱的嚴重破壞主要是由于本身的抗剪強度和彎曲延性不足引起的。

總之，要重視橋梁結構動力概念設計，選擇較理想的抗震結構體系；要重視延性抗震，用能力設計思想進行抗震設計；要重視支承連接部位的設計；要重視采用減、隔震措施提高結構的抗震能力。

2 橋梁設計中隔震設計的原理與原則

2.1 隔震設計原理

減震、隔震技術是簡便、經濟、先進的工程抗震手段。隔震設計以阻隔地震對橋梁的沖擊為目的，以此來減弱地震對橋梁結構的損壞。隔震設計的基本原理是在橋梁結構中增加柔性支柱，減弱橋梁各結構之間的關聯性，提高橋梁反應加速度，消耗地震攜帶的巨大能量，從而達到降低地震對橋梁結構的沖擊與破壞目的。與橋梁設計中的阻尼設計目標相同，隔震設計亦是以最大限度消耗地震攜帶能量，延長構件耐久性為目標，這就要求對橋梁進行隔震設計時，要保證每個構件都具有良好的彈性和可塑性，充分考慮地震后橋梁的結構變形問題。減震是利用特制減震構件或裝置，使之在強震時率先進入塑性區，產生大阻尼，大量消耗進入結構體系的能量；而隔震則是利用隔震體系，設法阻止地震能量進入主體結構。在實踐中，有時把這兩種體系合二為一。結構控制理論的引入，實際上是結構減震、隔震技術的延伸與擴展。通過選擇適當的減、隔震裝置與設置位置，可以達到控制結構內力分布與大小的目的[3]。

2.2 隔震設計原則

為了保證延性隔震設計的安全性，必須進行抗震能力驗算。目前，延性抗震驗算所采用的破壞準則主要有：強度破壞準則、延性破壞準則、能量破壞準則、基于低周疲勞特征的破壞準則，以及用最大變形和滯回耗能來表達的雙重指標破壞準則等。各種破壞準則均有它的適用范圍。其中，強度破壞準則對于非延性破壞是實用的、有效的；延性破壞準則是目前國內外的一些規范進行延性抗震驗算的主要形式；而能量破壞準則，基于低周疲勞特征的破壞準則以及雙重指標破壞準則還需進一步研究才能用于橋梁的抗震設計驗算。因此，對于鋼筋混凝土墩柱，可以用強度破壞準則驗算抗剪強度，而用延性破壞準則驗算彎曲延性能力。

3 橋梁隔震設計的具體做法

在橋梁設計中，需要綜合分析影響橋梁設計的因素，并選擇最優的橋梁設計方案。在橋梁結構中，墩臺與梁體之間一般都是由支座進行連接，支座的連接方式對橋梁本身的動力特性具有較大的影響，在兩者之間加裝柔性支承和能量耗散裝置，能夠降低橋梁結構的地震響應。彈性支座隔震體系是目前最簡單的隔震方法。其中，普通板式橡膠支座構造簡單、性能穩定，已在橋梁中廣泛應用。普通板式橡膠支座主要是通過增大結構的周期來達到減、隔震的目的，本身并無顯著的阻尼性能。因此，出現了通過特殊合成的高阻尼橡膠、鉛芯、鋼板等具有耗能裝置的支座，具體介紹如下。

3.1 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座是是新西蘭學者在1975年發明的，是目前解決中、短跨度橋梁結構抗震問題最為簡單且有效的一種方法。由于鉛的屈服應力較低、滯回曲線豐滿，具有良好的滯回特性。加之在變形停頓期間可以恢復原有的特性，從而使之成為一種較好的阻尼器。這種支座最為突出的特點是構造簡單、制作方便、價格低廉，在很多橋梁結構抗震設計中得到了應用。鉛芯橡膠支座構造簡單，能夠提供較大的阻尼，可以單獨作為橋梁支座使用，目前在新西蘭、美國、日本等國已被廣泛使用。

3.2 聚四氟乙烯滑動支座

聚四氟乙烯滑動支座，也叫PTFE支座。它是一種柔性支座，主要是利用PTFE摩擦系數小的特點，將其粘貼在支座表面上，并在梁底支撐處設置不銹鋼板，使其可在支座表面滑動，以滿足較大橫向位移的要求。這種支座在跨度較大的橋梁結構中應用比較廣泛。該支座隔震的優點是對輸入地震波頻率特性不敏感。PTFE支座能有效地通過聚四氟乙烯和鋼板間的摩擦耗能，對減小內力反應有顯著的效果，而且其效果對輸入地震波的頻譜特性不敏感，但由于它不能提供恢復力，常常會使梁體與墩、臺之間的相對位移過大。因此，PTFE支座最好能與阻尼器或防止落梁的裝置配套使用。為了解決滑動隔震系統上部結構與滑動裝置之間位移過大的問題，不少學者又研制了幾種能提供恢復力的滑動支座，如摩擦擺支座、R-FBI支座、TASS支座等。

3.3 疊層橡膠支座

疊層橡膠支座主要是由兩部分組成：即橡膠片和鋼板。由于鋼板對橡膠片的橫向變形產生了約束作用，從而使疊層橡膠墊具有了較大的豎向剛度。同時因鋼板對橡膠的剪切變形影響較小，使橡膠本身所固有的柔韌性得到了保障。相關研究結果表明，橡膠支座的力-位移滯回曲線是狹長的，在具體設計中可用線性來代替。因橡膠支座能夠增強橋梁結構的柔性，這樣可以進一步延長結構的周期，進而達到減震的效果。但這種支座也存在一定的不足之處，即在減小墩臺受地震荷載的同時，增加了梁體與墩臺間的相對位移，因此使該裝置的應用受到了一定的局限。

4 結語

綜上所述，震害是影響橋梁結構穩定和橋梁服務功能的嚴重災害類型，由此可見，橋梁設計中隔震設計研究的重要性和必要性是顯而易見的。只有對橋梁采用隔震技術，實施隔震設計，橋梁結構承載能力與抗變形能力才能得到有效提升，才能減少地震等災害帶來的損失。雖然目前我國隔震設計理論與技術研發尚不夠成熟，但隨著研究工作的不斷進行，在隔震設計中，通過對隔震裝置和相關附屬構件的設計，隔震技術在實踐中的不斷應用，可以有效改善橋梁的受力情況，減少震害對橋梁的沖擊，從而有效提升橋梁的穩定性和安全性，對便利交通和提高運輸效率具有重要意義。

[1] 代曉芳.市政橋梁設計中的減隔震設計研究[J].工程技術,2015(9):81.

[2] 劉勝男,劉少飛,孫緒利.淺析隔震設計在橋梁設計中的應用[J].建筑工程技術與設計,2014(23).

[3] 左自偉,袁智.隔震設計在橋梁設計中的應用分析[J].現代工業經濟和信息化,2016(7):72-73.

U442.5+5

A

1009-7716（2017）11-0088-02

2017-07-05

葉超（1985-），男，江蘇鎮江人，工程師，從事橋梁設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.025