隔震設計在橋梁設計中的重要性研究

文/王玲、懷臣子

1 前言

地震對橋梁結構的巨大沖擊，不僅會嚴重威脅人身安全，而且還會阻礙國民經濟的發展。隨著橋梁結構不斷建設，為了減小地震作用下結構的響應，保障結構的安全可靠，在各種橋梁抗震設計方法中，隔震技術作為一種安全、經濟的工程結構減震控制措施，被廣泛應用于橋梁的實際工程結構抗震設計中[1]。

目前，常用的提高橋梁抗震性能的方法，一種是增加橋墩結構的強度和變形能力以改善其抗震性能，即依靠橋墩本身的塑性變形來耗散地震能量；另一種常用的方法是使用減震或隔震設計，其一方面通過摩擦或者剪切變形以達到耗散地震能量的目的，另一方面為了使橋梁結構的振動周期延長采用降低結構剛度的手段。由此，隔震設計被廣泛應用于橋梁工程中。

2 隔震技術的概述

橋梁隔震技術是通過選擇適當的減隔震裝置，并安裝布設于橋梁合適的位置，切斷地震波的傳播，從而降低橋梁結構在地震作用下的內力和位移，有針對性地改變橋梁結構的損傷形式，達到橋梁整體結構抗震性能的目的[2]。

2.1 隔震技術的基本原理

2.1.1 橋梁隔震裝置就是指利用隔震技術消耗掉地震的地震力，避免地震的巨大破壞力損壞橋梁。通過在橋梁結構上設置隔震系統，限制地震能量傳遞到橋梁結構，結構地震反應的主要基本規律如圖1 所示。

圖1 結構對地震反應的基本規律

由圖1 可知，橋梁結構的共振現象與結構的自振周期和地震的卓越周期有關。當兩者接近時，會增大橋梁結構的地震響應，一定程度上破壞橋梁結構。另外，由于阻尼增大會使得地震響應減小，因此為了防止橋梁結構受地震力的影響，要在橋梁結構中設計阻尼裝置，通過增加阻尼來耗散橋梁承受的地震能量；同時，由于阻尼增加，減少了橋梁結構的位移和加速度，從而防止橋梁結構受到地震能量而被破壞[3]。概括總結以下三點基本原理：

2.1.1.1 通過增加柔性支承，延長橋梁結構周期，從而降低橋梁結構的地震響應的目的。

2.1.1.2 為了限制橋梁結構位移，通過增加阻尼器來耗散地震能量。

2.1.1.3 確保在正常使用的情況下，橋梁結構具有足夠的剛度。

2.2 隔震設計的分析方法

2.2.1 倒推分析法

在水平方向上，以對橋梁結構逐漸增加載荷的方式，來推動橋梁結構到達指定的位移，達到對橋梁結構非線性性能的研究目的。

2.2.2 能力譜法

基于倒推分析法，通過比對橋梁結構的加速度-位移能力譜與地震需求反應譜，實現橋梁結構抗震性能的直觀判斷的目的。

2.2.3 位移設計法

借助橋梁結構的強度，通過判斷結構允許位移指標，達到檢驗橋梁隔震效果的目的。

3 隔震設計在橋梁設計中的應用

3.1 隔震設計應用原則

3.1.1 應用隔震設計，為了保護橋梁的橋墩和橋臺結構不受地震損害，通過降低橋梁接收的地震響應，使得橋梁上下部結構在地震作用下隔離開來；同時，還可以調整橋梁結構的自振周期，從而使結構自振周期避開地震波的卓越周期，改善結構的地震響應。

3.1.2 通過設計橋梁隔震結構，以結構扭矩的改變在水平方向上調整橋梁剛度，以起到降低橋梁負荷的作用[4]。同時，在一定程度上對橋梁構件承受的地震力進行有效分解，防止由于地震力過大造成橋梁局部受力不均發生結構變形，在一定程度上降低了橋梁結構整體承受的載荷，避免結構整體被嚴重破壞。

3.1.3 隔震設計的應用可以將載荷轉移至橋梁上部結構，減小或消除橋梁下部結構超載現象，降低橋墩由于載荷較大發生嚴重變形等問題，避免橋梁地基的檢查或修復。

3.1.4 橋梁在設計時相關設計人員要充分考慮地震所帶來的影響。一個良好的橋梁隔震設計能有效提升橋梁整體的性能，將地震所帶給橋梁的破壞降到最低，增加橋梁的使用壽命。為了保證橋梁整體不被破壞，通過設計橋梁隔震裝置，一方面使橋梁的抗震性提高，另一方面減少整體橋梁的運算成本[5]。

3.1.5 在橋梁中應用隔震設計，通過設置柔性設計的隔震裝置，來減少地震帶來的影響，且不給整體橋梁建設帶來過多影響，確保地震發生時橋梁的可使用性。

3.2 橋梁隔震設計流程

圖2 橋梁隔震設計流程圖

3.2.1 方案選擇

根據橋梁的整體功能、建設場地以及經濟性條件確定是否需要進行隔震設計，如果需要則確定隔震設計的初步方案。

3.2.2 動力分析計算

選擇計算模型，設置橋梁上部結構以及隔震層的相關參數，進行動力計算以及分析，通過動力分析計算模型檢驗初步方案的可行性；如果方案不可行，則重新調整相關參數進行計算分析。

3.2.3 上部結構設計

上部結構設計通常由靜力作用來控制。在地震波作用下，上部結構產生較大的慣性力，該力通過支座傳遞給橋梁下部結構，致使下部結構產生地震破壞。

3.2.4 隔震裝置設計

利用有限元模型對隔震裝置進行模擬、隔震裝置與橋梁結構的連接關系等。

3.2.5 下部結構設計

利用傳統的抗震設計方法，計算、分析橋梁下部結構。

3.3 隔震技術在橋梁中的應用

3.3.1 在上部結構和約束構件的水平方向設置粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是利用自身的粘性吸收地震能量，其耗能能力與其抗震性能密切相關。橋梁粘滯阻尼器的耗能原理：當地震發生時，隨著橋梁結構的運動，粘滯阻尼器也跟著運動，從而使得粘滯阻尼器中的活塞和缸筒之間發生相對運動，在相對運動的過程中，地震能力通過阻尼器轉化釋放于外界，從而使得橋梁結構的載荷減小。

在上部結構和約束構件的水平方向（如大跨度拱橋橋面與主拱的連接處）設置粘滯阻尼器，可以減少外部激勵對上部結構地震位移的影響，也可將粘滯阻尼器和隔震支座配合使用，達到多重保護橋梁主體結構的目的。

3.3.2 在墩、梁之間設置摩擦擺減隔震支座

摩擦擺減隔震支座是一種兼顧滑動摩擦耗能和動、勢能轉換耗能的減隔震支座，在滑動面摩擦耗能的同時，利用結構動能轉化勢能或相互轉化來減小地震能量對結構的影響。該類型裝置減隔震原理是：在地震作用下，支座剪力銷剪斷，支座上下部分開始沿支座摩擦面擺動，地震動能轉化為上部結構的重力勢能，同時在自重影響下結構可以自復位，該裝置通過結構滯回耗能來保護橋梁下部結構。

3.3.3 在橋梁的上部結構中設置彈簧橡膠自復位墊塊

彈簧橡膠自復位墊塊是一種具有自復位能力和高阻尼性能的橡膠支座，具有一定的彈性和良好的隔震效果，通過彈性變形來吸收存儲能量，對高頻震動量的吸收尤為重要。在橋梁的上部結構中設置彈簧橡膠自復位墊塊，一方面，憑借良好的彈性轉動橋梁的梁端，能夠將橋梁上部結構的反力可靠地傳遞給橋墩頂部以及允許熱膨脹或收縮的混凝土結構，從而降低地震力對橋墩產生的載荷；另一方面，憑借較大的剪切變形阻力，滿足橋梁上部結構的水平位移，同時適應橋梁變形和減少震動，提高整體橋梁的安全性能。

4 結語

由于全球氣候變化等引起的地震等自然災害的增加和對該自然災害不確定性的擴大，越來越多的學者開始關注橋梁結構優化設計以及防止倒塌等方面的研究開發。為了提高橋梁等大型建筑物的抗震性能以及安全性，達到從外部產生的荷載中獲得動力，以實現建筑物本身直接吸收地震能量的目的，隔震設計的研究開發已經應用于橋梁設計中。在橋梁設計過程中，應從隔震技術的基本原理出發，選擇恰當的安裝位置，利用隔震裝置，減小橋梁結構的位移和動力加速度，有效提高橋梁整體結構的安全性能。