橋梁設(shè)計中應用隔震設(shè)計技術(shù)的方法

魏一絎

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310051）

近些年來，我國加大交通網(wǎng)絡(luò)布局力度，制定橋梁建設(shè)長期規(guī)劃，實現(xiàn)有計劃、有步驟地推進橋梁建設(shè)。根據(jù)國家交通部發(fā)布的數(shù)據(jù)，“十三五”期間，共計投入697億元橋梁建設(shè)資金，改造危橋3.4萬座，新建橋梁13.36萬座。為保證橋梁運行狀態(tài)，控制病害發(fā)生機率，應對地震等自然災害對于橋梁結(jié)構(gòu)的負面影響，施工企業(yè)在整個結(jié)構(gòu)規(guī)劃與施工過程中，應當正視隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過系統(tǒng)性探討，逐步完善施工技術(shù)體系。

1 橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計特點

分析橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計原理與特點，施工人員實現(xiàn)了認知觀念的全面轉(zhuǎn)換，明確隔震設(shè)計基本要點，推動隔震結(jié)構(gòu)設(shè)置以及技術(shù)應用等系列工作穩(wěn)步有序開展。

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)隔震原理

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年國內(nèi)共發(fā)生5級地震37次，地震發(fā)生頻次明顯增加，地震發(fā)生后對于橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會產(chǎn)生極大破壞作用，降低了橋梁結(jié)構(gòu)強度，壓縮了服務(wù)年限。近些年來，相關(guān)設(shè)計團隊充分吸收借鑒過往地震災害經(jīng)驗，在分析橋梁結(jié)構(gòu)對地震動力響應、地震損傷機理以及結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能的基礎(chǔ)上，以隔震技術(shù)作為切入點，不斷修正橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，形成穩(wěn)定高效的抗震體系。隔震技術(shù)的目的在于將因地震引發(fā)的地面運動與橋梁結(jié)構(gòu)進行分割，將地震災害危害性控制在有效范圍內(nèi)，保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型。為全面提升隔震性能，隔震技術(shù)應用環(huán)節(jié)，設(shè)計人員可以適當調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)自振周期，通過自振周期有效控制，阻止地震能量傳入橋梁結(jié)構(gòu)，消除橋梁結(jié)構(gòu)位移反應。除了進行自振周期管控之外，在隔震技術(shù)設(shè)計環(huán)節(jié)，需要做好橋梁結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)置工作，通過加大阻尼的方式，提升橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強地震處置能力，如圖1所示：

圖1 橋梁阻尼器實物圖

為實現(xiàn)減震設(shè)計有效性，消除技術(shù)設(shè)計盲目性，可以采取能量模型，對減震設(shè)計進行必要的量化分析，數(shù)學模型為Ein=Eve+Ee+Ep+Ei，其中Ei表示隔震設(shè)備能量消耗；Eve表示橋梁結(jié)構(gòu)動能與彈性勢能綜合；Ein表示地震發(fā)生后橋梁結(jié)構(gòu)承受的總量量；Ep表示橋梁結(jié)構(gòu)彈塑性變形引發(fā)的能量損耗；Ee表示橋梁自身的阻尼消耗能力。借助能量構(gòu)成數(shù)學模型，可以引導設(shè)計人員在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，采取行之有效的技術(shù)舉措，通過消耗地震能量，將橋梁結(jié)構(gòu)塑性耗能控制在合理區(qū)間范圍內(nèi)，進而達到改善橋梁結(jié)構(gòu)強度的目的。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)隔震特點

橋梁隔震設(shè)計的出發(fā)點在于通過引導地震能量，隔絕能力傳播路徑，達到減震、避震目標。與傳統(tǒng)抗震技術(shù)相比，隔震結(jié)構(gòu)可以持續(xù)控制地震破壞力，借助柔性支撐結(jié)構(gòu)，強化地震能力吸收效能，從而最大程度地改善橋梁結(jié)構(gòu)自身形態(tài)，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，全面提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震效能。從過往經(jīng)驗來看，地震發(fā)生后，橋梁出現(xiàn)位移的機率較高，位移發(fā)生后極易破壞橋梁已有結(jié)構(gòu)。基于這種實際，在隔震設(shè)計環(huán)節(jié)，技術(shù)人員通過阻尼器等設(shè)備組件，對地震能力進行損耗，逐步抵消橋梁自振幅度，從而將橋梁位移量控制在合理范圍內(nèi)，全面提升橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，積極應對地震危害性，降低地震破壞。

2 橋梁結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)主要類型

為全面提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力，最大程度地降低地震產(chǎn)生的危害性，延長橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命，減少病害發(fā)生機率。需要綜合現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗，全面細致地梳理隔震結(jié)構(gòu)主要類型，增強橋梁結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計有效性。

經(jīng)過多年技術(shù)總結(jié)，橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)體系日益健全，設(shè)計團隊在總結(jié)地震發(fā)生規(guī)律、橋梁破壞機理的前提下，采取有效性舉措，定向進行隔震技術(shù)設(shè)計優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能升級，持續(xù)改善隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)形態(tài)，實現(xiàn)地震能力有效分割，降低地震對于橋梁結(jié)構(gòu)的危害性。例如，現(xiàn)階段多數(shù)設(shè)計團隊主要采用地基結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)、上部結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)等新型技術(shù)方案，可以最大程度地屏蔽地震能量，達到隔絕地震危害區(qū)域，增強橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。具體來看，地基結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)以橋梁地基結(jié)構(gòu)防護作為重點，通過屏蔽隔震以及絕緣隔震等舉措，全面提升地基結(jié)構(gòu)對于地震能量應對能力。這種技術(shù)處理方式，盡管可以有效屏蔽地震，發(fā)揮隔震效果，但是對于直下型輸入波，難以發(fā)揮有效作用，表現(xiàn)出技術(shù)局限性。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)主要針對于橋梁地基，通過絕緣隔震以及能力吸收隔震等多種方式，持續(xù)增強橋梁結(jié)構(gòu)的隔震能力，提升抗變參數(shù)，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。上部結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)主要應用于橋梁上方結(jié)構(gòu)，技術(shù)人員通過隔震裝置，來完成地震能力的吸收與隔絕，逐步抵消地震能量，實現(xiàn)隔震功效全面發(fā)揮，推動橋梁結(jié)構(gòu)隔震工作有序開展。

3 橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)應用策略

橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)應用環(huán)節(jié)，應當在轉(zhuǎn)換技術(shù)思路的前提下，以科學性原則與實用性原則為框架，通過技術(shù)要素合理化應用，設(shè)置橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)應用體系，確保橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力。

3.1 地基結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)應用策略

橋梁地基結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)在應用過程中，技術(shù)人員需要精準把握技術(shù)定位，立足地基結(jié)構(gòu)隔震對象，通過對屏蔽隔震與絕緣隔震等相關(guān)路徑的構(gòu)建，持續(xù)強化隔震能力，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)布局。實際操作過程中，設(shè)計人員在屏蔽隔震技術(shù)應用環(huán)節(jié)，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)模與施工場景，按照相關(guān)施工技術(shù)標準，進行地基可操作處理，將屏蔽板埋設(shè)在開挖內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)置可以有效隔阻地震力學波，實現(xiàn)常態(tài)化的地震波應對能力。為提升屏蔽板隔震能力，技術(shù)人員需要采取更為直接的技術(shù)處理方式，組織人員對屏蔽板進行質(zhì)量管理，制定切實可行的采購計劃，避免質(zhì)量問題的發(fā)生，影響最終隔震效果。在進行絕緣隔震的技術(shù)處理環(huán)節(jié)，其原理在于通過剛度較強或者地質(zhì)較軟的地基抵消地震地基輸入波，從而產(chǎn)生較好的隔震與減震效果。為達到這種技術(shù)目標，技術(shù)人員以科學性原則與實用性原則為框架，綜合橋梁地基地質(zhì)特性，有序做好隔震技術(shù)處理，確保地基結(jié)構(gòu)隔震效果達到預期目標。

3.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)應用策略

橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)主要作用于橋梁地基結(jié)構(gòu)，在地基結(jié)構(gòu)與上方結(jié)構(gòu)之間，安裝隔震裝置，從而增強基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震能力。實際技術(shù)應用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員主要利用絕緣隔震、能量吸收隔震兩種處理方式，通過多元化隔震方案，搭建起完備化隔震技術(shù)體系。實際操作環(huán)節(jié)，在橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)絕緣隔震技術(shù)應用過程中，技術(shù)人員可以借助滾動軸承，來起到隔震效果，在軸承參與下，最大程度阻隔地震產(chǎn)生的破壞力。為確保滾動軸承隔震作用充分發(fā)揮，技術(shù)人員需要嚴格遵循科學性原則與實用性原則，綜合評估滾動軸承性能，選擇軸承類型，采取有效舉措，加速現(xiàn)有軸承施工流程的完善，確保軸承施工效果，減少隔震技術(shù)漏洞的出現(xiàn)，全面增強隔震技術(shù)應用能力。能量吸收隔震在應用過程中，技術(shù)人員主要通過減震裝置來實現(xiàn)，通過系列設(shè)備有效參與，提升橋梁結(jié)構(gòu)抗變能力，從而延長基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，強化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應變能力。從過往經(jīng)驗來看，部分設(shè)計團隊在能量吸收隔震技術(shù)應用過程中，沒有能夠吸收借鑒以往經(jīng)驗，對橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的吸收隔震技術(shù)模塊進行整體評估，評估環(huán)節(jié)缺失，使得整個橋梁對于地震能量吸收與處置成效受到限制，放大了地震能力破壞作用，引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)變形等情況，造成結(jié)構(gòu)損傷。基于這種認知，設(shè)計團隊在能量吸收隔震技術(shù)應用環(huán)節(jié)，應當堅持問題導向，設(shè)置系統(tǒng)化、完備化能量吸收隔震評估方案，對技術(shù)應用成效、技術(shù)應用可行性進行科學分析，根據(jù)分析結(jié)果，采取必要舉措，進行能量吸收隔震技術(shù)方案的優(yōu)化，通過完善能量吸收隔震施工方案，定向提升橋梁結(jié)構(gòu)的隔震能力，有效解決能量吸收隔震技術(shù)應用效果不佳等問題。

3.3 上部結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)應用策略

橋梁上部結(jié)構(gòu)在隔震技術(shù)應用過程中，主要依托隔震裝置來實現(xiàn)，現(xiàn)階段相關(guān)隔震裝置類型較多，技術(shù)構(gòu)成復雜，為保證隔震技術(shù)應用效果，技術(shù)人員需要從附加振動隔震、能量吸收隔震兩種方式來實現(xiàn)，通過隔震技術(shù)方案的精準選擇，改善上部結(jié)構(gòu)隔震性能，發(fā)揮技術(shù)部優(yōu)勢。在附加振動隔震技術(shù)處置環(huán)節(jié)，技術(shù)人員需要在振動結(jié)構(gòu)周邊區(qū)域，增設(shè)與橋梁本身載荷無關(guān)的振動體，一旦地震發(fā)生后，橋梁自身受到的振動能量快速轉(zhuǎn)移到振動體，從而消除地震能力產(chǎn)生的沖擊作用，降低地震帶來的橋梁結(jié)構(gòu)破壞作用。在能量吸收隔震技術(shù)規(guī)劃與應用環(huán)節(jié)，可以充分吸收借鑒橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能量吸收隔震技術(shù)優(yōu)勢，總結(jié)施工經(jīng)驗，明確技術(shù)要求，搭建起完整的隔震技術(shù)應用體系，實現(xiàn)橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)科學聯(lián)動，將地震波進行有效轉(zhuǎn)移，隔絕地震能量危害性。例如通過增設(shè)阻尼裝置的方式，順利完成地震能量隔絕，通過地震能量科學處置，持續(xù)增強橋梁結(jié)構(gòu)整體強度，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)應用要點

精準把握橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)要點，梳理隔震設(shè)計技術(shù)脈絡(luò)，穩(wěn)步消除隔震設(shè)計盲區(qū)，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)強度的穩(wěn)步提升，為后續(xù)橋梁運行管理等工作有序開展奠定堅實基礎(chǔ)。

4.1 細致評估隔震技術(shù)應用條件

從現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗來看，橋梁隔震技術(shù)類型多樣，為保證隔震技術(shù)應用成效，發(fā)揮橋梁結(jié)構(gòu)對于地震災害的應對能力，有效防范橋梁結(jié)構(gòu)病害，施工團隊在整個隔震技術(shù)方案規(guī)劃、應用以及管理過程中，施工人員需要從前期準備入手，組織人員進行實地勘察，評估隔震技術(shù)應用前提，結(jié)合隔震技術(shù)使用條件，開展綜合性選擇。為確保選擇有效性，需要評估橋梁結(jié)構(gòu)是否存在剛性橋墩、橋梁所處區(qū)域地震發(fā)生概率、橋梁結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)共振可能性，通過系統(tǒng)化評估與綜合化分析，科學論證隔震技術(shù)方案可行性，避免隔震技術(shù)選擇不合理，影響最終實際的隔震效果，降低地震對于橋梁結(jié)構(gòu)的危害性，消除潛在安全風險，確保隔震技術(shù)應用成效。

4.2 健全完善隔震技術(shù)應用原則

橋梁結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)體系構(gòu)建環(huán)節(jié)，為保證隔震技術(shù)有效利用，在科學性原則、實用性原則引導下，系統(tǒng)梳理隔震技術(shù)應用要求，細化隔震技術(shù)應用條件，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)要求以及應用場景，設(shè)置隔震技術(shù)應用模塊，以持續(xù)提升橋梁結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)水平。在科學性原則引導下，施工人員應當綜合系列要素，在明確隔震技術(shù)原理、隔震流程的前提下，優(yōu)化隔震技術(shù)應用流程，厘清隔震技術(shù)要點，通過隔震技術(shù)精準化應用，確保隔震設(shè)計效果，發(fā)揮隔震技術(shù)優(yōu)勢。為降低橋梁結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)應用難度，消除潛在風險，施工人員應當遵循實用性原則，從隔震技術(shù)可行性角度出發(fā)，兼顧隔震技術(shù)應用效果與成本管理要求，逐步增強橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計有效性，為后續(xù)施工技術(shù)應用、施工流程管理等活動有序開展創(chuàng)造便利條件，切實提升橋梁結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)管理效率。

4.3 持續(xù)提升隔震技術(shù)應用模塊

隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的應用，可以從粘滯阻尼器、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等技術(shù)類型選擇入手，通過隔震技術(shù)合理化應用，持續(xù)提升橋梁設(shè)計有效性，增強橋梁抗震能力。具體來看，粘滯阻尼器作為常見能耗裝置，在適應過程中，應當綜合橋梁所處區(qū)域的氣候、地質(zhì)等環(huán)境要素，采取相關(guān)技術(shù)方案，對粘滯阻尼器參數(shù)進行必要調(diào)整，通過技術(shù)調(diào)整，提升變形應對能力，持續(xù)改善隔震技術(shù)水平，確保橋梁合理化應用水平。鉛芯橡膠支座應用中，施工人員需要確保分層橡膠之間連接的緊密程度，通過分析力學特性，做好技術(shù)設(shè)備選擇，通過設(shè)備選型，提升鉛芯橡膠支座的耐疲勞性能，確保設(shè)備剛度與屈服度，通過性能優(yōu)化，將地震產(chǎn)生的能量進行有效損耗，從而發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢。

5 結(jié)語

橋梁規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)，隔震技術(shù)方案的合理化應用，對于橋梁設(shè)計方案的可行性有著極大裨益，是全面增強橋梁抗震能力重要舉措。文章在分析橋梁結(jié)構(gòu)隔震基本原理與技術(shù)特點前提下，多維度出發(fā)，探討橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計方法，明確隔震設(shè)計應用要點，形成系統(tǒng)完備隔震技術(shù)模式。