分析橋梁設計中隔震設計的重要性

段繼祖

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

1 橋梁抗震措施與減隔震重要性

(1)從橋梁自身入手，提高其抗震性能，如提高樁基的強度和墩身延性。

(2)采取有效的減隔震措施，當地震發生時，通過對減隔震設施的應用使從樁基不斷傳遞到上部結構的能量不斷耗散，或加裝隔震裝置來延長結構的自振周期，以減小地震對結構造成的作用及影響。

上述兩方面在現在最常見的梁式橋中，對應下列兩種體系：其一，受地震作用后，使橋梁的基礎、上部結構與連接體系都免遭損傷，依然處于彈性工作范圍，并利用墩身塑性鉸，隨著墩身發生的變形不斷耗散地震帶來的能量；其二，受地震作用后，在對橋梁結構位移進行嚴格控制的前提下，使基礎和結構免遭損傷，并處于彈性工作范圍，利用連接系統對地震帶來的能量予以耗散。

2 橋梁設計中常用減隔震技術

2.1 高阻尼支座

對于高阻尼支座，它可以分成以下兩種，其一，鉛鋅橡膠支座；其二，高阻尼支座。支座是對橋梁上部結構和下部結構進行連接的重要構件，支座受豎向荷載作用后依然十分堅固，并且還有很大的豎向剛度。然而，在水平方向上，往往剛度不足，較為柔軟。受地震荷載作用后，支座能使結構振動周期明顯增大，起到減小地震響應的重要作用。與此同時，因支座中的鉛芯和鋼板或橡膠和鋼板存在相互作用，所以能提供一定阻尼比，使橋梁自身地震響應進一步減小。但與常用板式支座等對比，這種支座的高度相對較大，成本偏高，如果在橋梁工程中大量使用，無疑會增加建設成本。

2.2 摩擦擺支座

與常規支座有所不同，這種支座主要根據單擺的原理來設計。受地震荷載持續作用后，該支座中的限位裝置將被破壞，在球形表面發生運動，使橋梁的上部結構開始單擺運動，結構所受水平方向上的力將由耐磨板和球冠之間的摩擦來傳遞。這樣一來，可以增大結構自身振動周期，減小地震響應。另外，采用摩擦作用來耗能，還能更有效的減小地震響應。但是，因這種支座主要根據單擺的原理來設計，所以只有上部結構具有很大恒載才可以發揮理想效果。基于此，該支座目前主要使用在現澆及大跨徑橋梁中。此外，對支座進行安裝時，因梁底空間十分有限，所以要通過特殊設計才能將支座安裝好。

2.3 彈塑性鋼擋塊

通過對橋梁震害的分析與研究可知，當中小跨徑的橋梁使用傳統板式支座時，因支座和橋梁上部結構、下部結構之間會產生一定相對位移，所以能起到一定抗震作用，使下部結構所受地震作用減小。然而，在設計中應高度重視擋塊自身強度，因為如果強度不足，將在地震作用下極易破壞，嚴重時還會產生落梁。根據該擋塊的模型可知，對擋塊和常規板式支座進行連接，可利用結構自身非線性變形作用，使結構的自身周期明顯增大，以此減小地震響應。另外，因擋塊的設計十分靈活，受較強的地震作用后，對上部結構和下部結構產生的相對位移進行控制，能在發揮減隔震效果的基礎上，保證墩身延性。

3 案例分析

某公路工程總長50 km，共有38座橋梁和4處互通立交，公路所在區域為地震活動帶，地震烈度可以達到9°。本次以其中某座橋為例實施專項研究，該橋為簡支結構，采用2×40 m+3×40 m+3×40 m的跨徑組合，墩身高度最大可達45.3 m。以上三種減隔震技術和普通支座的結構自身周期模擬結果如表1所示。

表1 不同減隔震技術的結構自振周期模擬結果

根據表1數據可知，摩擦擺支座對應的結構自身周期比其它三種都要高。對三種減隔震技術的低階結構自身周期進行對比，發現伴隨結構連接剛度不斷減小，自振周期開始增加。另外，對塑性鋼擋塊和普通支座進行對比，發現兩者的自振周期比較接近，如果不考慮因結構位移增大使支座破壞，則采用普通支座能發揮一定減隔震效果，此時增設鋼擋塊，能在增加連接剛度的基礎上，減小整體幅度，使結構自振周期始終處于允許的范圍之內。

除了要注重不同減隔震技術的效果，還應注意結構位移，防止落梁等現象的發生。根據模型可知，高阻尼支座和摩擦擺支座都能在完成地震輸入以后，使變形回到初始狀態，但塑性鋼擋塊和普通支座的實際復位情況相對較差。根據變形時程曲線，高阻尼支座和摩擦擺支座受地震作用后，響應比較平緩，并在地震的輸入完成以后，可以很快的完成自由振動。然而，高阻尼支座和摩擦擺支座與塑性鋼擋塊相比，在橫橋向上的支座實際位移顯著增加，與此同時，摩擦擺支座的縱向變形明顯比其它支座大。對普通支座和塑性鋼擋塊進行對比，發現兩者在順橋向發生的變形基本保持一致，但通過對擋塊的使用，它的橫向變形比普通支座和另外兩種支座都小。

橋梁結構抗震設計過程中，從整體結構角度講，不僅要考慮結構自身最大結構，而且還要對結構內力發生的變化予以充分考慮。經過對比，順橋向不同減隔震技術受地震作用后，受力沒有太大差別。但在橫橋向上，高阻尼支座與摩擦擺支座比塑性鋼擋塊和普通支座好。通過對塑性鋼擋塊和普通支座的對比，設置鋼擋塊以后，結構橫向彎矩開始小幅增加。

4 結束語

綜上所述，橋梁抗震設計的重要性已經不言而喻，無需多言，重要的是研究不同減隔震技術。以上減隔震技術各具優劣，在橋梁抗震設計過程中，應根據工程的實際情況，結合現有施工條件，選擇適宜的減隔震技術，并嚴格按照相關規范施工，使其發揮應有的作用效果，使橋梁具有良好的抗震能力。