橋梁減隔震技術要點研究

文/張天寶

1 橋梁減隔震技術的重要性

橋梁對我國交通運輸事業的發展具有重要作用，因此我們應保證其安全穩定性。我國是一個地震多發的國家，一旦發生強烈地震，很可能會損壞橋梁。除了造成巨大的經濟損失外，同時還會對災后救援造成困擾。橋梁減隔震技術是解決此類問題的主要途徑之一，有利于促進我國交通運輸事業穩定發展。

2 減隔震技術原理

減隔震技術是減震與減隔震技術的總稱，主要是通過基礎結構方面的調整達到抵御地震效果的技術。減震設計通過設計彈性阻尼等手段，消耗地震力的影響，能夠達到結構整體穩定的目的。隔震技術使用特殊結構，并利用震動周期原理，可以達到促進地震能量輸出從而保證橋梁安全的目的。減隔震技術主要原理是將橋體的主要結構與可能出現破壞的面層相分離，避免地震對橋梁的破壞。從能量守恒角度出發，在任意時刻減隔震技術能量轉換關系如下：

Ein=Eve+Ee+Ep+Ei

Ein是橋梁承受的地震總能量；Eve是橋梁所承受的動能和彈性勢能；Ee是橋梁自身隔震能量消耗；Ep是橋梁結構的彈性變形能量消耗；Ei是正在降低減隔震技術的能耗。

在實際設計中，減隔震技術必須有機統一，從而應對地震波對橋梁結構的破壞。減隔震技術是在橋梁上施工隔振器，以此提供有效的水平柔性支撐，延長橋梁的水平周期，增加隔震效果。通過減震器使結構變形，能夠有效減少地震對橋梁結構的影響。另外，橋梁結構的減隔震技術還可以分解結構支撐之間的地震力應力分布，增加上層建筑對橋梁基礎的支撐和保護，并通過對側面剛度的調整，達到平衡扭轉的目的[1]。

3 減隔震裝置技術

橋梁減隔震裝置應用時間較長，其使用材料和技術在近些年得到了快速的發展。不同于建筑中的減隔震裝置，橋梁裝置種類多種多樣，可以提供較廣泛的選擇。具體來說，目前常用的減隔震裝置有鉛橡膠支座、高振動橡膠支座、滑動摩擦支座、液體粘性隔震器、金屬隔震器等。

3.1 鉛橡膠支座

該支座由多層橡膠支座和高純度鉛芯組成。常規的多層橡膠主要利用垂直承載力和水平柔韌性再生力；純鉛芯對于消耗地震能量具有積極作用，其具備理想的剪切模量和塑性。所以該支座既可以滿足嚴重地震條件下的能耗需求，又可以滿足自然沖擊剛度的雙重吸收和隔震性能。

3.2 高振動橡膠支座

這種類型的支座由加入纖維、石墨的橡膠材料構成，減隔震性能要高于普通橡膠3 倍左右。當橋梁遭遇地震影響時，其纖維和石墨等材料在變形作用影響下會因為摩擦熱量來耗散動能，其機械性能與普通支座相似，但隔震比更高，減震能量消耗更大。

3.3 滑動摩擦支座

滑動摩擦支座目前主要在實踐中使用PTFE 材料構成，摩擦系數僅為0.06，更適合于中噸位支座。在發生地震的情況下，當滑動摩擦支座中的支撐梁承受的慣性大于摩擦阻力時，梁和支座的滑動表面將滑動，進而大大延長了橋梁的振動周期。

3.4 隔震器

由壓力缸、活塞、節流孔、粘滯隔震液等組成的液體粘滯隔震器主要通過活塞尖端的壓差將粘滯的隔震液壓過孔口，使隔震力消散目標能量。橋梁減隔震與彈性峰值之間具有相位差，隔振器相對速度為0 且相對位移達到峰值時，其衰減作用也降到0，同時隔震器隔振裝置的相對速度和衰減力達到最大值[2]。

金屬隔震器的減震器和隔震裝置主要利用低效鋼制成的彎曲剪切減震器，該減震器利用鋼等金屬材料的彈塑性變形特性吸收地震能量。

4 減隔震技術在橋梁結構設計中的應用

4.1 工程概況

某高速公路橋梁是30m+60m+30m 雙跨橋。橋的面板跨度為21.5m，橋的設計長度為1.845km。最初，計劃采用滑動摩擦支座的減隔震技術，并依據國際特大橋實踐，設計為斜拉橋形式，通過減隔震系統優化達到安全穩定。

4.2 設計思路

通過對橋梁工程區域的水文、地震條件等分析，確定橋梁減隔震設計優化目標，依據相應技術方案對工程設計做出最終優化。在基本確定隔震周期的基礎上，計算分析橋梁的抗震設計性能，然后有針對性的設計結構參數，最后進行隔震的設計，確定橋梁工程的技術解決方案。為了充分發揮減震器和隔板的作用，對結構細節進行優化，并在減震器有效運行之前防止橋接現象出現。

4.3 隔震系統設計

根據該橋梁項目的設計要求，其抗震設計必須確保橋梁在中等地震中的所有構件都具有良好的彈性。在嚴重地震中，鑒于橋梁工程的實際情況，將三種減隔震技術（方案1、2、3 分別為滑動摩擦支座、鉛橡膠支座和液體粘性隔震器）進行比較，某些潛在的塑性區域具有一定的彈性，并且結構通常是穩定的。

使用空間迭代法，對減隔震周期進行相應計算，結果見表1。由此可以看出，滑動摩擦支座減隔震技術明顯弱于液體粘滯隔震和鉛橡膠支座的減隔震技術，在延長橋梁結構的自然周期方面，隔震效果不佳[3]。

表1 橋梁結構固有周期結果

為了繼續對兩種不同的減隔震技術能耗進行比較，本文分析了在潛在塑性區的彈性狀態下橋梁地震中間位置，得出了低彎矩的結果。結果表明，液體粘度隔震器和鉛橡膠支座，水平地震力由橋梁的中間墩承受，并且其彈性也很好。

使用時間彈塑性歷史分析方法對橋梁結構在大地震下的位移響應進行比較分析。鉛橡膠支座的減震隔震器的設計要比液體粘性隔震器的設計消耗更多的地震作用力，并且其結構更加穩定，在大地震后無須更換和維護橋墩。因此，該橋梁項目選擇了鉛橡膠支座的最終形式。

為了提高橋梁結構適應橫向位移的能力，橋梁還使用了模塊化的肩部擴張裝置。為了防止由于地震引起梁的位移和變形以及梁的坍塌，使用電纜式的減隔震裝置[4]。

5 減隔震技術的缺陷與對策

5.1 技術缺陷

如果橋梁在建設中存在地基不穩的情況，那么在擴建時就應注意共振的問題，且其不適用減隔震技術。在進行減隔震技術施工前，要充分對其安全與適用性進行論證。依據相關規范要求，對橋梁使用減隔震技術必須具備下列條件之一：

5.1.1 減隔震設計中必須針對高頻率地震波。

5.1.2 減隔震技術適用于高延展性的形狀不規則橋梁。

5.1.3 設計的地角應具有高位移頻率和長期低能量含量，以進行隔震。

目前，還沒有對內部隔震橋裝置進行過地震檢查，且該設計的科學性和實用性尚待確認。另外，我國在橋梁的抗震設計中缺乏適當的設計規范和經驗，特別是在這一領域，尚無規范橋梁減隔震裝置效果自然性能的指導文件。

5.2 應對策略

我國應依據過往對橋梁減隔震設計與施工經驗，不斷完善橋梁減隔震法律法規，深入規范減隔震裝置設計。同時，還要對減隔震裝置在使用前進行科學的論證，在充分了解各裝置適用范圍的基礎上，依據工程地區實際情況選擇合適減隔震裝置。另外，為了保證橋梁結構減隔震技術的科學性和實用性，在設計隔震橋梁之前還要先采用計算機仿真技術進行建模分析[5]。

6 結語

地震會對社會經濟造成巨大損失，威脅到人們的生活安全。減隔震技術的正確應用對于保護橋梁在地震中的受力安全具有重要作用，其可以很好地消解地震力，提升橋梁自身結構安全。通過以上的論述，我們了解了不同的減隔震裝置對于橋梁免受地震影響的作用。因此，前期設計階段，我們必須將科學合理的隔震裝置選擇與實際工程橋梁相結合，并通過提高精確設計來不斷改進橋梁的抗震性能。