減隔震橋梁設計方法及抗震性能分析

朱小萍

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

抗震性能是反映橋梁結構穩定性的重要能力，為確保橋梁結構能夠在既定使用年限內安全性通行，需在橋梁規劃設計階段做好減隔震設計，在掌握橋梁減隔震設計原則及抗震原理基礎上，合理應用各類減隔震技術手段，同時根據橋梁結構特征合理引入減隔震裝置，在減隔震技術與裝置的協同作用下，盡可能提升橋梁結構的抗震性能。

1 橋梁減隔震設計原則及抗震原理

1.1 設計原則

地震等自然災害對橋梁結構性能提出了較高要求，為避免安全事故的發生，應重視橋梁減隔震設計工作。減隔震橋梁設計期間應注意以下原則：一是因地制宜原則。橋梁結構應根據當地實際情況科學選址，降低外部環境因素對橋梁抗震性能的影響。結合以往設計經驗，需將橋梁設施優先設計在地質堅硬的區域，保障橋梁基礎穩定性，削弱地震災害對橋梁地基的干擾程度。此外，不可在軟弱土層上建設橋梁結構，若無法規避則需做好軟弱土層處理。二是差異性原則。“同等安全度”是橋梁傳統減隔震設計理念，該理念要求橋梁各部位所有結構均按照同等抗震性能標準進行設計，但在實際設計情況來看，該設計理念科學性不足，橋梁各部位結構的受力存在差異，導致不同橋梁結構的抗震需求不同，若按照“同等安全度”理念展開設計，難以保證抗震設計實效，因此，在橋梁減隔震設計過程中，應以橋梁受力結構及振動周期為依據，差異化展開減隔震設計，以此提升減隔震設計針對性，保障橋梁抗震設計效果。三是整體性原則。為確保所設計的橋梁結構具有良好抗震性能，需確保橋梁各結構均處于受力均衡狀態，并要求各結構均與橋梁主體結構保持良好聯通性，借助橋梁主體結構支撐效果而保障其抗震性能。因此，在減隔震橋梁設計過程中，應優先選用硬質材料建設橋梁主體，主體部分不可進行拼接裝配設計，以此避免引發共振現象，杜絕橋梁塌陷隱患[1]。

1.2 抗震原理

橋梁減隔震技術借助各類支座裝置消除橋梁內部震動能量，削弱震動的效果，防治共振現象，以此提升橋梁抗震性能。因此，在橋梁減隔震設計過程中，要求設計人員根據橋梁結構特征合理選用減隔震技術，盡可能規避外部因素對橋梁結構穩定性的影響。橋梁減隔震技術在應用期間，需依據橋梁結構件質量條件合理選用柔性裝置，借助裝置阻尼削弱地震波能量，防止地震波引發結構共振而破壞橋梁結構。結合以往橋梁減隔震設計經驗，應基于橋梁建設標準選用彈性優異、可塑性良好的抗震構件，并根據橋梁部位差異合理引入各類減隔震裝置，同時做好橋梁主體的維護工作，增強基礎穩定性，降低墩柱延性，采取多元化措施最大限度地提升橋梁抗震性能。

2 橋梁減隔震設計方法

2.1 橋梁科學選址

結合上述橋梁減隔震設計原則可見，需以因地制宜為原則，立足當地實際情況合理選擇橋梁地址，防止外部地質條件影響橋梁抗震性能。通常情況下，需將減隔震橋梁設計在地質堅硬區域，為橋梁結構提供強有力的基礎，在該地質區域條件下，使橋梁結構在地震災害事故發生時仍可保持良好狀態、不會塌陷。橋梁地基應以基巖、碎石為主，以此保障橋梁基礎穩定性，若條件受限，需于軟弱土層區域建設橋梁結構，需根據當地實際情況加固地基，確保地基在一定震動條件下仍可維持原狀，在高度穩定地基的支撐下，提升橋梁抗震設計效果。

2.2 明確環境因素

《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）于2020年正式實施，該規范條例中明確指出了環境因素是橋梁減隔震技術選擇與應用的先決條件。這就要求橋梁減隔震設計之前，需做好施工現場勘探工作，綜合考量橋梁結構現場施工區域范圍內的自然地質條件，只有基于當地現狀展開橋梁設計，方可保障減隔震效果，提高橋梁結構抗震性能，防止設計偏差問題的發生。橋梁減隔震設計應滿足以下環境因素條件：一是剛性橋墩結構所產生的振動周期相對較短；二是橋梁高度參數呈現出不規則特征，若橋墩結構高度參數差異較大，需做好延伸性設計；三是橋梁施工范圍內地面地質結構具有明顯的運動特性，且在一定周期內不會產生較大震動能量。若橋梁滿足上述條件則需開展減隔震設計。對不適用減隔震技術的橋梁結構進行總結，具體如下：一是橋梁場地在特定地震條件下存在失效可能；二是橋梁振動周期相對較長，下部結構剛度較??；三是橋梁地處軟弱土層，若振動周期適當延長可引發共振現象，存在該現象則難以保障橋梁減隔震設計效果。若橋梁結構存在以上三類情況，則需慎用減隔震技術。由此可見，減隔震橋梁在設計之初，需對橋梁所在區域的地質自然環境因素進行調查并梳理，防止出現減隔震無效設計的情況[2]。

2.3 強化墩柱設計

墩柱結構在橋梁設計與建設中扮演著重要角色，能夠對橋梁結構起到支撐、減震、隔震效果，因此，在減隔震橋梁設計過程中，應重視墩柱結構的設計工作，做好抗震設計。第一，依據橋梁結構所在區域地震等級數據信息，分析判斷當地震動強度，以此為依據確定墩柱參數，確保墩柱結構面對大部分震動情況時仍可保持優異承載性能，通過優化設計墩柱結構保障橋梁整體抗震性能。第二，對橋梁墩柱配筋質量加強管控，根據當地實際情況確定橋梁抗震設計等級后合理選擇配筋材料參數，確保墩柱配筋強度可滿足橋梁結構承載力，繼而促進墩柱配筋穩定性的提升，有效增強橋梁抗震效果。

2.4 防范梁落現象

在橋梁減隔震設計過程中，應注意規避梁落問題。地震自然災害發生時伴隨著劇烈震動，并發出震動波能量，震動波將沿橋梁結構逐漸傳播蔓延，最終引發橋梁結構移位、塌陷問題，不僅影響著車輛通行效果，甚至引發安全事故，因此，必須加強對梁落問題的重視，采取一定減隔震設計措施加以規避。在實際橋梁設計過程中，主要通過強化橋梁結構連接質量的形式進行優化設計，增強橋梁震動彈性，使橋梁結構可在特定范圍內允許移位，防止梁落事故的發生。除此之外，若橋梁主體結構與墩臺結構之間存在較大縫隙，同樣可引發梁落問題，針對這一問題，應在建隔震橋梁設計過程中不斷加固尚未連續的結構部分，并對已連接的結構位置進行強化，有效預防梁落事故的出現。

2.5 強化性能基礎

為最大限度地提升橋梁結構抗震性能，增強減隔震橋梁設計實效，應做好橋梁基礎性能強化設計，在設計期間整理當地地震數據信息，了解當地地震程度及震動等級，采用量化處理方式分析地震危害，以此為依據確定橋梁減隔震防護范圍，以此針對性地提出橋梁減隔震設計方案。以抗震性能為核心設計橋梁結構時，需確保減隔震設計要點與其他設計要素相互配合，在多結構的共同作用下實現優異的橋梁抗震性能。

2.6 強度延性設計

第一，強度性能設計。該設計方式在現階段減隔震橋梁設計過程中較為常用，通過強度性能設計增強橋梁抗震性能時，需組織靜荷載測試，檢測橋梁工程地基承載力情況，后依據橋梁結構實際情況確定構件抵抗性及強度要求，提升橋梁減隔震設計效果?；趶姸刃阅茉O計，橋梁結構可有效保障其抗震性能，效果顯著，但結合實踐設計情況來看，若橋梁地處軟弱地質區域，地基穩定性不足，則強度設計方法無法表現出良好的橋梁減隔震效果，因此，該設計方式存在局限性，設計人員需基于當地實際情況判斷是否可選用該設計辦法。

第二，材料延性設計?，F階段大多數橋梁工程項目來為混凝土鋼結構，如鋼索結構、支座結構、橋梁結構等，混凝土及鋼金屬是橋梁施工建設中最常用的材料，為保障橋梁減隔震設計效果，增強橋梁結構抗震性能，需做好橋梁施工材料的延性設計。材料延性設計期間需對地震力進行模擬，逐步分析測算各種材料的延伸性效果，綜合對比模擬試驗中各材料的表現情況，以此為依據展開抗震設計。材料延性設計在減隔震橋梁設計中屬于輔助性手段，極大提升了減隔震設計的全面性，可使減隔震設計良好融入橋梁結構的各個方面[3]。

3 橋梁減隔震裝置及其性能分析

3.1 分層橡膠支座

現階段橋梁結構中常用的減隔震裝置多為支座結構，根據材料的不同將減隔震支座劃分為不同類型。分層橡膠支座由薄質鋼板、橡膠片的交替布置而成，該支座結構靈活，可根據橋梁實際情況確定支座平面形狀，其中矩形、圓形平面較為常用。在減隔震橋梁設計過程中，應注意把控分層橡膠支座結構的阻尼性能及水平剛度，當橋梁結構遭受震動時，將會帶動橡膠支座板面區域發生位移，橡膠支座出現形變現象后，在阻尼作用下將會消耗地震所造成的地震波能量。若橋梁減隔震設計中應用天然橡膠作為材料制作支座結構，該天然橡膠支座所形成的阻尼效果處于5%～10%范圍內。結合實踐應用情況來看，分層橡膠支座所形成的減隔震效果相對較小，為進一步加強減隔震設計效果，可在應用分層橡膠支座基礎上設計阻尼器，在兩者共同作用下最大限度地保障橋梁抗震性能。

3.2 鉛芯橡膠支座

相較分層橡膠支座，鉛芯橡膠支座于中心位置增設了鉛芯結構，鉛芯純度較高，可有效提升減隔震支座裝置的阻尼性能，繼而大幅度提升橋梁減隔震設計效果。鉛芯結構屈服剪力參數為10MPa，但鉛芯結構的初始剪切剛度最高可達130MPa，力學性能優異，此外，該減隔震支座裝置具備良好的彈塑性能力，可滿足橋梁抗震設計中的靜力荷載、順應耗能要求。由此可見，鉛芯橡膠支座的減隔震性能優異，可滿足橋梁抗震設計需求，該支座裝置憑借自身優異性能，有效保障橋梁結構的使用壽命，削弱地震能量波帶來的連鎖反應，使地震震動難以破壞橋梁結構。鉛芯橡膠支座屬于典型的高阻尼支座，在橡膠與鉛芯結構的雙重作用下，可形成高質量減隔震效果，對橋梁結構形成良好保護，防止橋梁結構被破壞，但在減隔震橋梁設計中，鉛芯橡膠支座減隔震裝置的應用頻率相對較低，產生該現象的原因為鉛芯結構成本較高，因此，橋梁工程項目為有效控制成本造價而優先選用其他減隔震裝置。

3.3 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器從本質上來看為耗能裝置，該減隔震裝置依靠液體黏性形成阻尼效果，憑借其優異阻尼性能消耗地震能量波，以此削弱地震自然災害對橋梁結構的破壞效果。黏滯阻尼器由缸筒、導桿、活塞構成，地震發生時，缸筒內活塞結構隨之展開相對運動，黏滯流體在缸筒內流動，形成阻尼，并在此過程中消耗地震能量，保護結構，實現橋梁減震。結合實踐來看，黏滯阻尼器多被設計在橋梁地基梁結構上，可有效規避橋墩變形問題，繼而形成優異抗震效果。

3.4 擺式摩擦支座

擺式摩擦支座同樣為橋梁抗震設計中常用的減隔震裝置，其結構如圖1所示。擺式摩擦支座裝置以鐘擺原理為依據實現橋梁減隔震效果，支座球面呈鐘擺狀運動，憑借該方式延長了支座結構的運動周期，由此形成優異的隔震效果。擺式摩擦支座在運行滑動過程中有摩擦現象發生，憑借該摩擦效果起到減震作用，削弱橋梁結構的震動效果。該減震裝置呈弧狀滑動，并進入單擺運動狀態，依靠單擺運動將水平向力充分傳輸，增大了橋梁自振周期。在該運動周期下，橋梁結構振動周期得到了有效延長，使地震波沖擊力得到了良好緩沖，極大削弱了地震對橋梁結構的影響，保障了橋梁抗震性能。結合實踐應用情況來看，該支座裝置無法規避地震所引發的橋梁結構移位問題，而橋梁結構磨損會損傷擺式摩擦支座平面，因此，為確保擺式摩擦支座能夠始終發揮出優異的減隔震效果，需定期維護保養。

圖1 擺式摩擦支座

4 結語

綜上所述，為確保橋梁減隔震設計實效，應在設計期間做好橋梁的選址工作，根據橋梁結構特征合理選擇減隔震方法，在正式開展設計工作之前全面調查橋梁結構所處環境，強化墩柱設計，注意防范梁落問題，同時做好強度設計、延性設計與基礎設計。此外，從分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、黏滯阻尼器、擺式摩擦支座等減隔震裝置中合理選擇，借助減隔震裝置結構提升橋梁抗震設計。