市政橋梁項目減隔震設計要點

孫文濤，張辛未

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

為了滿足城市現代化建設的需要，市政橋梁建設不斷增加，用于緩解城市交通壓力，完善城市交通網絡。但是大型的市政橋梁項目由于結構較為復雜，且工程規模較大，因此保證結構的穩固性具有一定的難度。

文章主要分析了市政橋梁項目中減隔震設計的要點，希望能優化減隔震設計，延長橋梁壽命，提高橋梁安全性。

1 橋梁減隔震裝置的基本原理

減隔震設計是從隔震技術逐漸發展來的，減隔震裝置的設置減少了地震能量的傳播，也大大消耗了地震能量的輸入，而且增大了結構阻尼。橋梁減隔震系統主要通過延長結構周期、增大結構阻尼、分散地震力三種途徑保護橋梁。加速度反應譜如圖1所示，位移反應譜如圖2所示。

圖1 加速度反應譜

圖2 位移反應譜

由圖1可知，隨著橋梁結構周期的增加，結構的反應加速度減小，即結構的慣性力減小，橋梁在地震動作用下的受力也隨即減小。由圖2可知，減小周期、提高阻尼，可降低結構位移，改善結構的動力反應特性。

當道路橋梁受到地震作用，支座剪力超過靜摩擦力時，橋梁的上部結構會發生滑動，再加上支座力水平力的影響，會進行類似單擺的運動。單曲面摩擦擺支座主要可以分為滑動面向上的支座和滑動面向下的支座兩種支座形式，截面圖如圖3所示。這兩種支座形式表現出的力學性能相似，一般在橋梁結構中，主要選擇滑動面向下的支座，其能夠減小墩底彎矩的P-△效應。通過橋梁的減隔震設計，可以實現以下三個目的。

（1）減隔震設計的目的是提高橋梁的抗震能力，在地震等自然災害發生時，能夠保證橋梁結構的穩定性和安全性。其中，要重點提升橋梁的抗變形能力。要想達到這種效果，可以加入一個柔性裝置來減少橋梁結構和水平地面運動之間的聯系，這樣在地震發生時就能降低橋梁結構反應加速度，使其小于地面的加速度，從而保證橋梁結構構件不會損壞。

圖3 單曲面摩擦擺支座截面圖

（2）減隔震設計的第二個目的就是保證結構構件的壽命，因此要提高隔震構件的彈性和可塑性。例如，可以使用隔震技術將地震后橋梁下部結構的彈性控制在合理的范圍內，并定期對一些關鍵部位進行檢查維修，減少非彈性形變問題。

（3）做好對橋梁的減隔震設計，能降低地震對橋梁工程的影響，從而減少橋梁的損耗，進而延長橋梁的使用年限。

2 市政橋梁項目減隔震設計的設計要點

2.1 明確應用原則

在路橋結構設計階段，為了增強橋梁結構的安全性和經濟性，確保減隔震技術的有效應用，應用減隔震技術需要遵循以下兩個原則。

（1）抗震原則。應用減隔震技術的最終目的是減輕地震作用對橋梁結構的破壞，因此應用減隔震技術時必須遵循抗震設計原則，即“小震不壞、中震可修，大震不倒”等抗震設計要求。

（2）結構優化設計原則。應用減隔震技術時主要通過優化結構來提升應用效果，因此應用減隔震技術時必須遵循結構優化設計原則，科學、合理優化結構設計，提升抗震設計效果。例如，通過加強橋梁結構的整體延性，在結構的適當位置設置塑性鉸，用以提升橋梁結構的穩定性和安全性。

2.2 合理選擇減隔震裝置

減隔震裝置的選擇對橋梁減隔震效果影響顯著，優選減隔震裝置是提高橋梁項目整體結構減隔震性能的有效途徑。對減隔震裝置的選擇，需要依據市政橋梁項目設計的實際情況以及遵循相關要求規范，合理選擇層橡膠支座、互動摩擦式支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺減隔震支座、雙曲面球星減隔震支座。不同類型的減隔震裝置的運行原理和使用功能并不相同。常見的減隔震裝置有如下幾種。

（1）黏滯阻尼器。黏滯阻尼器原理上是一種耗能型設備，實物如圖4所示。黏滯阻尼器內活塞前后運動會產生一定的壓力差，黏滯流體在壓力差作用下流入節流孔內，這個過程裝置內就會產生耗能和阻尼力。在地震力的作用下，橋梁結構快速出現位移，黏滯阻尼器相應發生改變，能夠有效減輕橋梁結構的變形。黏滯阻尼器應布置在橋邊墩中間位置、橋梁中間位置、橋梁輔助墩加勁梁的中間位置。為充分發揮黏滯阻尼器效果，可通過分析和試算，對橋梁整體抗震性能進行驗算。

圖4 黏滯阻尼器

（2）擺式滑動摩擦支座。擺式滑動摩擦支座裝置是將鐘擺與滑動摩擦支座兩個概念融合于一體的減隔震系統，實物如圖5所示。擺式滑動摩擦支座的應用有利于提升橋梁結構的整體抗震性能以及安全可靠性。擺式滑動摩擦支座設置有2個曲面，當地震發生時，曲面間的摩擦作用能減輕地震作用力對橋梁結構的影響，保障橋梁結構可以在自重力的作用下自動復位。

圖5 擺式滑動摩擦支座

（3）鉛芯橡膠支座。這種減震裝飾能夠有效提升橋梁結構的抗震性能，實物如圖6所示。鉛芯橡膠支座是將鉛棒放置于板式橡膠支座的中心位置來改善橡膠支座的阻尼性能的一種支座形式，其主要通過結構物本身的重力以及外力作用使鉛芯形成滯后阻尼的塑性變形，從而吸收地震時產生的大量能量；支座的橡膠部分具有彈性，能夠為這一減隔震裝置提供重新恢復的作用，從而使能量吸收的過程能夠持續，最終實現抗震減震的效果。

2.3 注重減隔震細節設計

圖6 鉛芯橡膠支座

對于一些大型市政橋梁項目，減隔震設計結構十分復雜，需要重點關注防落梁裝置、伸縮縫和限位裝置等橋梁構件和附屬結構。因此，要從整體上提高市政橋梁建筑工程的減隔震性能，注重結構細節設計，并選擇合理的隔震設計技術。首先，要對橋梁所在區域的地震情況與地震成因進行調查研究，根據調研數據進行設計，以在一定程度上減少減隔震設計的誤差，保證市政橋梁性能。其次，相關設計人員不僅要考慮細節，還要考慮細部構造設計，提高橋梁整體協調性，從而保證市政橋梁的穩定性和抗震性。

橋梁結構設計階段，要求結構水平剛度中心與隔震層重心重合，誤差不能超過允許值。一旦偏差過大，就可能出現橋梁結構失穩，且無法保證橋梁結構抗震性，影響橋梁安全性。橋梁豎向荷載參數要根據隔震裝置的豎向剛度計算，控制隔震裝置的橫向水平位移，提高橋梁結構的靈活性，使其受到地震作用時，能夠有效對抗，從而提高抗震效果。橋梁結構隔震層的水平剛度滿足抗震要求之后，還要適當提高其豎向負載能力，避免在較大水平壓力作用下出現嚴重損壞，同時提高結構的結構強度，以提高結構的抗震能力，使其受較大的地震作用時，結構的整體性與穩定性能得到保證，避免橋梁結構出現坍塌現象，提高行車安全。另外，橋梁結構的隔震層裝置要有復位性能，使其結構在地震作用下能夠自動恢復位置，降低地震作用對結構的破壞，提高抗震效果。現階段，我國橋梁工程的復位性尚有待提升，大部分的橋梁在受到地震作用后，需人工修復才能復位。

3 結束語

市政橋梁建設是城市建設工作的重要組成部分之一，對城市居民的生活質量與水平有重要影響。在市政橋梁設計中，合理使用減隔震技術可以有效提高橋梁抗震性能。我國目前在橋梁的減隔震方面仍有很長的路要走，要深入研究減隔震技術，引進先進的裝置及技術，優化減隔震裝置的設置，以提高橋梁的抗震性、耐久性與安全性。