隔震設(shè)計(jì)在市政橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

馬豐民

（江蘇華新城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 連云港 222000）

與公路不同，橋梁的承重結(jié)構(gòu)主要取決于橋梁整體結(jié)構(gòu)，橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性通常相對較弱。在地震導(dǎo)致的橋梁問題中，公路鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁多表現(xiàn)出落梁、拱橋破壞、支座滑動(dòng)、梁體滑移、碰撞破壞、墩臺破壞等問題，而鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁則多表現(xiàn)為支座破壞、墩臺破壞、落梁等現(xiàn)象。由此可見，在不同的橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，地震所帶來的影響和破壞位置不同，而加強(qiáng)隔震設(shè)計(jì)不僅有助于提高橋梁的穩(wěn)定性和安全性，在防震方面也起著很大的作用。

1 市政橋梁隔震設(shè)計(jì)的重要性和作用

在設(shè)計(jì)市政橋梁時(shí)，必須充分考慮其承載力、強(qiáng)度、剛度、抗震性能和絕緣設(shè)計(jì)。隔震設(shè)計(jì)不僅能有效地改善橋梁的扭轉(zhuǎn)平衡，而且能解決橋梁設(shè)計(jì)過大所引起的各種問題。增強(qiáng)隔震設(shè)計(jì)只需要在設(shè)計(jì)階段稍微調(diào)整橋梁的施工計(jì)劃即可，并且，在施工過程中安裝一定的隔震裝置不會(huì)增加工程成本或影響工期，不僅可以顯著改善橋梁的承載能力、抗應(yīng)變能力和抗震性能，提高橋梁應(yīng)用質(zhì)量，而且后續(xù)還能減少維護(hù)難度并延長橋梁的使用壽命，從而有利于維護(hù)橋梁的發(fā)展。

（1）提高市政橋梁的建設(shè)價(jià)值。在當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，隨著交通工程項(xiàng)目的增多和經(jīng)濟(jì)往來種類的增加，市政橋梁的隔震設(shè)計(jì)在促進(jìn)和保護(hù)市政橋梁建設(shè)中發(fā)揮了積極作用。隔震設(shè)計(jì)不僅可以防止地震帶來的危害，而且能幫助保持交通的全面性，保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。另外，橋梁的隔震設(shè)計(jì)主要是通過絕緣和有效的減震或施工裝置來實(shí)現(xiàn)的。這種隔震設(shè)計(jì)可以在橋梁工程中提高施工質(zhì)量和穩(wěn)定性，進(jìn)而減少自然地震帶來的消極影響，并確保橋梁工程的正常使用。因此，隔震設(shè)計(jì)可確保市政橋梁的施工具有一定的適用性，一方面可以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和發(fā)展，另一方面又具有實(shí)際的施工價(jià)值。

（2）改善橋梁工程的堅(jiān)固性。隔震設(shè)計(jì)是橋梁工程堅(jiān)固性的基礎(chǔ)。這是因?yàn)楦粽鹪O(shè)計(jì)可以通過降低地震影響來保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)，并提高橋梁的抗震能力及橋梁工程的整體強(qiáng)度。此外，橋梁隔震設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)功能，通過引入一種靈活的設(shè)計(jì)，可提升橋梁的重要結(jié)構(gòu)部件的穩(wěn)定性，在一定程度上降低其與水平地面運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性，因此，地震不會(huì)使其遭受重大損失。另外，目前的隔震設(shè)計(jì)采用了更加科學(xué)合理的電阻設(shè)計(jì)，即當(dāng)振動(dòng)能量通過隔震結(jié)構(gòu)傳遞到橋梁的上部時(shí)可以降低，這對提高橋梁工程的堅(jiān)固性是有效的。

因此，市政橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)采用隔震設(shè)計(jì)。但由于技術(shù)水平的限制，目前我國市政橋梁設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)水平不是很高，需要進(jìn)一步完善。

2 隔震設(shè)計(jì)的原理及應(yīng)用

2.1 隔震設(shè)計(jì)的原理

隔震技術(shù)是使用振動(dòng)隔離裝置來擴(kuò)展建筑結(jié)構(gòu)，消耗動(dòng)能并減少地震后的結(jié)構(gòu)破壞和變化，因此橋梁工程可以使用隔震技術(shù)有效地保護(hù)橋梁。橋梁工程的工程設(shè)計(jì)、施工及隔震設(shè)計(jì)具有比現(xiàn)有的土木工程抗震設(shè)計(jì)更高的性能，因此可以有效地保護(hù)橋墩柱，降低橋墩柱的延性要求。隔震技術(shù)是未來各種建設(shè)項(xiàng)目的主要發(fā)展趨勢，主要的設(shè)計(jì)技術(shù)原理是通過減小地震源的振動(dòng)功率來增加作用點(diǎn)。在橋梁工程的上層建筑中加入柔性裝置的設(shè)計(jì)可以有效減少或消除橋梁重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件與水平地面之間的摩擦，充分消耗地震產(chǎn)生的能量，從而使橋梁的主要部分避免受到嚴(yán)重的非彈性變形。

橋梁設(shè)計(jì)的基本原則是堅(jiān)固性、適用性和安全性。要根據(jù)橋梁工程的實(shí)際情況來進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)和施工，避免設(shè)計(jì)的盲目性。在檢查橋梁附近的地質(zhì)環(huán)境時(shí)，必須進(jìn)行橋梁知識方面的科學(xué)研究和探索，因?yàn)闃蛄旱母粽鹪O(shè)計(jì)和施工必須具有相對較強(qiáng)的地質(zhì)條件。目前的橋梁隔震設(shè)計(jì)中主要涉及等效剛度計(jì)算、等效阻尼計(jì)算以及橋梁中絕緣裝置的變形程度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對于提高橋梁抗震性能有著重要作用。等效阻尼系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：h為阻尼系數(shù)的負(fù)載；W為總承載能力；2為重量百分比。

設(shè)計(jì)人員需要應(yīng)用計(jì)算公式準(zhǔn)確計(jì)算所需的重力荷載，以確保隔震材料具有良好的隔震性能。

橋梁隔震設(shè)計(jì)中最重要的兩個(gè)方面是隔震裝置的設(shè)計(jì)和其他相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，前者是隔震的設(shè)計(jì)中心。當(dāng)前，彈性響應(yīng)譜法越來越多地被日本、法國、美國和中國等大多數(shù)國家的橋梁隔震設(shè)計(jì)采用，但是由于設(shè)計(jì)規(guī)格略有不同，隔震裝置的等效阻尼計(jì)算和等效剛度計(jì)算所使用的計(jì)算公式也有所不同。對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則的橋梁，現(xiàn)階段普遍采用的是時(shí)間記錄法。

現(xiàn)階段彈性響應(yīng)譜法能夠在橋梁隔震設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)原因主要是彈性響應(yīng)譜法的計(jì)算較簡單，并且該方法的計(jì)算和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法比較接近，因此易于計(jì)算。另外，在設(shè)計(jì)隔震時(shí)，要確保隔震裝置的最大應(yīng)變與隔震裝置的等效阻尼和等效剛度密切相關(guān)，同時(shí)還必須考慮地震感應(yīng)隔震裝置的有效性。基于此，可以看到橋梁變形與地震反應(yīng)之間的關(guān)系。但是中國的橋梁隔震設(shè)計(jì)還處于起步階段，因此使用彈性響應(yīng)譜法進(jìn)行橋梁隔震設(shè)計(jì)時(shí)，需要不斷改進(jìn)和總結(jié)與國外案例有關(guān)的相關(guān)數(shù)據(jù)，但是如上所述，計(jì)算方法因國家和地區(qū)而異，因此目前無法深入學(xué)習(xí)，只能參考外部設(shè)計(jì)思路。此外，隔震設(shè)計(jì)還有助于預(yù)測地震后橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)程度。可以找到一些在設(shè)計(jì)方面有更多經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師，通過一系列過程分析來檢查隔震設(shè)計(jì)的合理性，確保隔震設(shè)計(jì)的效果。

2.2 隔震設(shè)計(jì)的應(yīng)用

由于隔震設(shè)計(jì)通常位于建筑結(jié)構(gòu)的一樓以下，因此有必要通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)隔震設(shè)計(jì)的位置，以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。市政橋梁技術(shù)的主要選擇是橡膠隔震技術(shù)，橡膠層的厚度是根據(jù)橋梁工程的直徑和橋梁基礎(chǔ)的最大建筑面積選擇的，因此橋梁的隔震設(shè)計(jì)是科學(xué)的。橡膠軸承、疊層橡膠軸承和滑動(dòng)摩擦隔震的應(yīng)用使橋梁阻尼值控制在合理范圍內(nèi)，因此當(dāng)前橋梁工程的隔震設(shè)計(jì)是科學(xué)有效的，越來越多的橋梁工程中采用了隔震設(shè)計(jì)。

2.3 橋梁隔震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在市政橋梁的初始抗震設(shè)計(jì)中，大多數(shù)抗震設(shè)計(jì)都采用了抗震措施，以達(dá)到保持橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的效果。在設(shè)計(jì)和施工中主要采取一些措施來提高橋梁的整體強(qiáng)度，以確保地震時(shí)橋梁的穩(wěn)定性。在橋梁設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師不可以盲目進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)、建造隔震裝置，避免地震期間裝置之間相互干預(yù)造成更大的破壞，合理進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，才能更好地保護(hù)橋梁的安全。

隔震設(shè)計(jì)的主要目的是顯著提高橋梁的抗震性能，在設(shè)計(jì)中要注意：首先，應(yīng)在橋梁設(shè)計(jì)的初期就注意隔震設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中要注意隔震裝置的安裝方法和預(yù)算，并以最小的成本達(dá)到最佳的隔震效果。其次，在隔震設(shè)計(jì)之前，應(yīng)仔細(xì)分析橋梁附近的地質(zhì)環(huán)境，做好橋梁施工現(xiàn)場的基礎(chǔ)調(diào)查，并根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)告綜合考慮，依據(jù)橋梁施工所在地的實(shí)際地質(zhì)條件來提高隔震性能設(shè)計(jì)的質(zhì)量。另外，在選擇隔震裝置時(shí)，需要盡可能選擇隔震性能良好的裝置，提高橋梁在地震中的抗震效果，減少地震對橋梁的傷害和影響。

橋梁的輔助結(jié)構(gòu)由防墜梁裝置、伸縮縫和限位裝置組成，通過大量的地震調(diào)查和動(dòng)態(tài)過程分析可看出，這些結(jié)構(gòu)在橋梁的隔震設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。這些結(jié)構(gòu)是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和隔振效果的主要組成部分，但是由于計(jì)算輔助結(jié)構(gòu)的方法過于復(fù)雜導(dǎo)致許多設(shè)計(jì)人員忘記或忽略了這些結(jié)構(gòu)。因此設(shè)計(jì)人員需要注意并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以便提高橋梁的抗震性能。

3 隔震設(shè)計(jì)在市政橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法

3.1 專注于隔震設(shè)備的設(shè)計(jì)

利用隔震設(shè)計(jì)的裝備可以全面改善我國市政橋梁工程的建設(shè)，著重于市政橋梁工程的隔震設(shè)計(jì)，可以穩(wěn)定橋梁的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。利用隔震設(shè)計(jì)的裝備為市政橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了很好的支撐，因此城市橋梁項(xiàng)目的隔震設(shè)計(jì)必須堅(jiān)固，以免設(shè)備在溫度影響下變形。當(dāng)前，隔震裝置主要使用彈性響應(yīng)譜法，該方法使用絕緣裝置的等效剛度和等效阻尼計(jì)算，并且根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)，隔震工程專家必須掌握橋梁工程的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)選擇隔震器，并且設(shè)計(jì)者必須很好地理解和估計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)程度，使發(fā)生振動(dòng)時(shí)，防震器件可立即吸收沖擊，從而減少在高頻率和高負(fù)載下橋梁結(jié)構(gòu)上的變化，避免對整個(gè)橋梁工程造成損害。

3.2 注重細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)

在橋梁工程中，橋梁結(jié)構(gòu)剛度的部分在橋梁工程中起著重要作用，在橋梁邊界裝置、伸縮縫和防溢裝置中，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要起保護(hù)作用。要對橋梁絕緣保護(hù)的連續(xù)性進(jìn)行調(diào)整，更重要的是對絕緣裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，例如橋面與橋架之間的連接處，橋與橋柱之間的連接等。作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，橋梁工程隔震設(shè)計(jì)可以在注重細(xì)節(jié)的情況下科學(xué)、實(shí)用地開發(fā)和施工。

3.3 全面解決橋梁設(shè)計(jì)中的隔震設(shè)計(jì)問題

市政橋梁設(shè)計(jì)中的保溫設(shè)計(jì)應(yīng)注意與整個(gè)橋梁工程的協(xié)調(diào)性和色調(diào)的配合性，在建造具有隔震性的市政橋梁時(shí)要全面處理保溫的細(xì)節(jié)；應(yīng)綜合相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)有橋梁工程的隔震設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)，推動(dòng)橋梁隔震設(shè)計(jì)及隔震技術(shù)的發(fā)展。另外，在進(jìn)一步選擇和分析隔震裝置時(shí)，應(yīng)對隔震設(shè)計(jì)的各種材料進(jìn)行分類，并結(jié)合隔震橋梁的設(shè)計(jì)要求全面保證隔震設(shè)計(jì)的有效性。并且隔震橋梁的設(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)節(jié)上保證隔震設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而有效地解決隔震設(shè)計(jì)的問題。

4 結(jié)束語

總之，作為維持城市交通正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，有必要確保市政橋梁建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性。在市政橋梁設(shè)計(jì)中，隔震設(shè)計(jì)是困難而重要的一點(diǎn)，應(yīng)引起設(shè)計(jì)師的高度重視。雖然我國橋梁隔震設(shè)計(jì)的技術(shù)水平還有待提升，采用抗震設(shè)計(jì)來提高橋梁的抗震能力不是很理想，但是，在未來橋梁設(shè)計(jì)中積極研究國外先進(jìn)技術(shù)并加強(qiáng)自主研究，必然會(huì)提高中國城市橋梁的定性設(shè)計(jì)水平，這將極大地促進(jìn)中國橋梁事業(yè)的發(fā)展。