減隔震技術在橋梁抗震設計中的運用

常生玉

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

橋梁工程是我國重要的基礎性工程，做好橋梁工程建設工作有利于我國城市化的發展。對橋梁工程進行設計和施工時，除了要確保施工的質量以外，而且還要重視橋梁的抗震性能，若是橋梁沒有較為理想的抗震性能，那么當遇到地震等情況時將會對橋梁造成嚴重損壞，影響橋梁的使用壽命和使用安全。所以，在進行橋梁工程設計時，應當對橋梁抗震設計予以重視，并采用有效的減隔震技術，提高橋梁的抗震性能。

1 橋梁抗震設計的重要性

自從2008年我國出現了堪比唐山大地震的汶川地震開始，我國最近十多年出現了多次大型地震，因而橋梁工程對于抗震也就有了更多的要求。在橋梁設計時，要重視其本身的抗震性能，從橋梁設計的具體情況來看，應當做好減震、隔震的設計[1]。一般情況下，對橋梁進行隔震設計主要是利用隔震器，通過使用隔震器可以有效延長橋梁結構的振動周期，降低水平地震作用，從而獲得良好的防震效果。對橋梁進行抗震設計，除了能夠降低地震對橋梁所造成的破壞，保護橋梁整體結構，而且還能夠提升橋梁工程的經濟效益。橋梁的抗震設計不僅不會增加施工成本，還能夠在一定程度上提升橋梁質量，在橋梁設計過程中加強抗震設計，以便讓橋梁擁有良好的抗震性能，避免遇地震時不被破壞，在一定程度上保證交通運輸，有利于后續地震救援工作的開展。對橋梁進行抗震設計具有非常重要的意義，建設單位應當對此給予重視。

2 橋梁抗震設計原則與減隔震技術的原理

2.1 橋梁抗震設計原則

根據相關專家研究表示，當前地球還處在地殼運動頻繁時期，造成了地震頻頻出現，使橋梁受到十分嚴峻的考驗。因此，在當前橋梁工程建設施工過程中應當注重抗震設計，在設計時要遵守以下原則：

（1）科學選址。選址是否科學不僅會影響到施工工作的開展，還會影響到施工質量。在選址時，盡量選擇地質結構堅硬的地方，以免地震時地基出現質量問題。另外，不可在松軟地區進行橋梁工程建設工作，對橋梁進行設計時，應最大程度避免地震對地質結構的影響[3]。

（2）差異性設計。在抗震技術的應用中，主要采用了同等安全度理念，也就是橋梁中的所有結構都應當具備相同的抗震性能，但是此種設計原則明顯是極為不合理的。由于不同的位置在抗震上所發揮的作用不同，所以結構件本身所具有的抗震性能也就不同，所以在設計上應重視橋梁結構的差異性，使設計更加具有針對性，從而使橋梁具有更好的抗震作用。

（3）整體結構系統規范。想要橋梁擁有良好的性能，則每個結構部分所具有的散力性和受力要處于較為均衡的狀態，并和橋梁主體有較為理想的聯通性。對于橋梁主體應最大程度選擇硬質建材，特別是在地震多發的地方，設計時盡量不要選擇拼接式主體，避免地震發生時由于地基出現共振現象而造成橋梁塌陷。

2.2 減隔震技術的原理與特征

該技術的原理為：通過利用減震支座等設備，消除進入橋梁結構中的震動能量，從而避免震動對橋梁結構造成不良影響。所以，設計人員在進行抗震設計時，應當合理利用減隔震技術，盡量避免對橋梁結構造成嚴重的破壞。在應用此技術時，最關鍵的是需要使用到柔性裝置，確保相關結構件的質量，并且應用阻尼設計還能夠在短時間內消除地震形成的能量。如果地震能量進入橋梁結構中，將會對橋梁結構造成不同程度的破壞[2]。當對橋梁進行抗震設計時，利用減隔震技術最為重要的是削弱地震形成的能量，以便延長橋梁結構的使用壽命，有效降低地震發生后對橋梁結構所造成的破壞。在減隔震設計時，最為關鍵的是要確保設計本身的合理性以及所使用的抗震構件要有良好的可塑性與彈性。在使用減隔震技術時，能夠在一定程度上降低工程成本，并提升橋梁自身的抗震性能，為使抗震設計獲得更為理想的效果，還要對橋梁主體加強維護，以便能夠有效降低墩柱延性。

3 橋梁抗震設計關鍵點

3.1 科學選擇橋梁建設地址

在對橋梁進行抗震設計時，應當先選擇適合的橋梁建設地址，確保橋梁具有良好的抗震效果。一般情況下，當選擇建設地址時，應當盡量選擇地質相對較為堅硬的地方，以便為橋梁提供一個更加穩定的平臺，即便遭遇到較為嚴重的地震，也不會發生嚴重塌陷，為橋梁提供堅實的基礎。堅硬的地基通常是碎石、基巖等類型的地質結構，可為橋梁提供更加穩定的基礎，是作為橋梁建設地址的第一選擇[4]。如果橋梁建設地址處在軟弱地基區域，那么應在允許范圍中加固地基，最為重要的是避免地基因為受到震動導致出現較為嚴重的變形，從而保障地基的穩定性，使橋梁擁有較為理想的抗震性能。

3.2 加強墩柱設計控制

在橋梁施工過程中，墩柱是其中的重點項目，墩柱的作用主要體現在支撐橋梁結構、隔震以及減震等方面，相關設計人員要做好墩柱設計工作。在墩柱設計過程中，需要加強抗震設計，主要從以下兩個方面入手：（1）根據地區內出現的地震等級分析震動強度，保障墩柱在面臨大多數地震時都具有良好的承受力，對墩柱結構體系進行優化，保障其自身的抗震性能。（2）在選擇墩柱配筋時，需要對配筋的質量進行嚴格控制，使其本身的強度能夠和承受力相匹配，提高墩柱配筋穩定性，有效發揮出抗震作用。

3.3 避免出現梁落問題

梁落問題是進行橋梁抗震設計時，需要著重規避的問題。當地震發生時，將會產生大量的震動能量，并隨著橋梁結構不斷蔓延，造成橋梁發生塌陷、結構位移等情況，影響到車輛行駛的安全性。面對此種情況，應當采取相應的辦法，讓橋梁結構在連接上變得更為穩固，提高其在震動上的彈性，在合理范圍內允許其出現位移，避免出現梁落問題[5]。另外，如果橋梁墩臺和主梁之間的縫隙變得越來越大，也會造成梁落問題。此時，則應當針對橋梁中沒有連續的位置不斷進行加固處理，對相互間的連接加以強化，以避免發生梁落事故。

4 常用的減隔震技術

4.1 高阻尼支座

在橋梁工程中，支座是十分重要的結構件，也是橋梁的基礎部分，其最為重要的作用是連接橋梁上下部分，并且還能夠發揮出豎向荷載作用，具備很強的剛度。所以，支座在水平方向上所具有的剛度則很弱，如果發生了地震，那么其所產生的荷載作用會直接影響到橋梁震動周期，使得震動變大，從而降低對橋梁結構造成的影響。如果要想讓支座具有更理想的減隔震效果，則需在對橋梁結構設計時，選用高阻尼支座[8]。在高阻尼支座中，應用最為廣泛的是鉛芯橡膠支座，將鉛芯壓入到橡膠支座中，使橡膠支座具有的阻尼性變得更強。因為鉛芯本身具有較好的力學性能與剪切剛度，屈服剪力相對較小，所以將其應用在支座中，能夠大大降低支座所受到的地震能量，從而削弱地震對橋梁所造成的不良影響，使橋梁結構具有更為理想的性能。由于鉛芯本身具有非常高的剛度，不容易發生變形，所以即便面對地震所產生的巨大能量也可以保持較為穩定的狀態，還可以對自身剛性進行調節，以免發生變形問題，使橋梁具有更長的使用壽命，避免橋梁出現過于嚴重的破壞。然而，因為鉛芯成本非常高，所以如今施工單位使用此種類型支座變得越來越少。

4.2 黏滯阻尼器

此種設備屬于耗能裝置，主要利用液體所具有的黏性產生阻尼作用，獲得較為理想的阻尼效果，以便使震動力被消耗，降低對橋梁結構所產生的不良影響。在黏滯阻尼器中，主要包括了活塞、導桿以及缸筒等，如果出現地震，那么活塞則會在缸筒中產生相對運動，黏滯流體則會在缸筒中的空隙處出現流動，此過程中便會出現阻尼力，震動力則在此過程中慢慢消耗殆盡，從而起到減震的作用[9]。從橋梁結構的具體設計情況來看，主要是將黏滯阻尼器安裝在地塔梁中，以免地震時導致橋墩發生嚴重變形，使橋梁整體結構具有更為良好的穩定性，產生理想的抗震作用。當前在我國眾多橋梁工程中，重慶地區的大橋是應用黏滯阻尼器最多的橋梁。

4.3 分層橡膠支座

在橋墩和橋梁中安裝支座主要是為了提高橋梁穩定性與安全性，保證橋梁在遇到地震時不被破壞，降低地震產生的能量對橋梁所造成的沖擊，所以在橋梁抗震設計中需要格外重視支座的設計，這也是橋梁是否擁有良好抗震性能的基礎。根據以往的橋梁結構設計來看，分層橡膠支座應用得十分普遍，其主要是由橡膠片與薄層鋼板兩部分構成，再以層層交替的形式形成了圓柱形狀，有的則呈現出矩形狀，通過橡膠和鋼板兩者的作用，能夠起到良好的減震效果。在分層橡膠支座中，因為橡膠容易發生變形，導致其自身阻尼系數相對較低，可以起到較為理想的隔震與減震作用。

4.4 擺式滑動摩擦支座

對橋梁結構進行減隔震設計時，常常會使用到擺式滑動摩擦支座，該支座主要包含了滑動摩擦裝置、鐘擺裝置兩部分，其之所以能夠起到減隔震作用，主要是利用了鐘擺原理。當球面呈現出鐘擺式運動，不僅會延長運動周期，而且還能夠取得較為理想的隔震效果。支座滑動導致摩擦發生，摩擦能夠起到明顯的減震作用，從而使得震動強度出現明顯下降[10]。因為支座滑動線路并非是是直線運動，滑動主要呈現出明顯的弧度，使橋梁結構在運動周期上能夠得到明顯延長，所以能夠有效緩解地震產生的沖擊力，從而降低地震所產生的不良影響，讓橋梁結構擁有更為良好的抗震性能。當地震發生以后，容易造成橋梁出現位移，這在一定程度上將會造成支座平面受到十分嚴重的磨損，如此則應當對橋梁進行定期維護，延長橋梁的使用壽命。

5 橋梁抗震設計選用減隔震技術存在的問題

在橋梁抗震設計過程中使用減隔震技術，容易出現很多問題，主要體現為：

（1）設計過程中沒有將基礎地基與隔震層進行有效結合，導致其在抗震性能和整體美觀性上存在不足，而且橋梁在施工時也缺乏穩定性與安全性；

（2）在橋梁進行設計時，隔震層上面的結構重心和水平剛度中心兩者并沒有處在相同位置，致使兩者間的尺寸出現很大的偏差，這在一定程度上使橋梁缺乏穩定性，影響橋梁本身的抗震性能；

（3）雖然減隔震技術的應用使橋梁隔震層在水平方向上擁有良好的剛度，但是由于沒有注重提升水平負載能力，造成橋梁會因為受到水平面出現的剪力使其結構出現嚴重損壞，從而影響了橋梁工程的整體抗震性能，當發生地震時容易發生大面積坍塌的情況，造成不同程度的經濟損失；

（4）沒有重視復位功能。當橋梁遇到地震以后，由于復位功能的缺失，橋梁也就無法恢復到原本的狀態，地震對橋梁所造成的危害是不可逆的，若是只依賴橋梁自我修復，無法達到良好的修復效果，此時則需要相關工作人員對其進行處理。

所以，在橋梁抗震設計中應用減隔震技術存在著很多問題，需要相關工作人員在此方面給予重視，并采取有效措施加以解決。

6 減隔震技術問題的應對措施

由于地震災害而產生的震動現象，將影響到橋梁工程質量，所以抗震設計在橋梁建設過程中具有重要意義，也是設計人員著重關注的環節。在我國高速發展過程中，出現了各種橋梁工程，所處地區也存在著很大差異，若是處于地震頻發地區，則要做好橋梁的抗震設計，選擇適合的設計方法。

6.1 基于性能基礎采用的設計方法

在對橋梁工程進行抗震設計時，應基于性能基礎采用相應的設計方法，從目前使用情況來看，需要先分析設計工作想要達到的效果，然后根據預期效果進行設計，這樣能夠確保設計具有一定的針對性。利用此種設計方法進行抗震設計，可以在一般情況下確保人員和財產的安全，同時也可保障橋梁在震后能夠繼續得以有效應用。根據具體設計情況來看，主要先對地震危害性進行量化處理，明確具體的防護范圍，以便有效落實相應設計方法[6]。所以，通過進行整體分析，以性能基礎為設計基礎，采用適合的設計方法，需要注意的是設計內容相對較為復雜，但設計所產生的應用效果具有非常高的可靠性，能夠應用在很多橋梁工程的抗震設計中，可以充分發揮出該設計方法的作用，使橋梁工程擁有更為理想的抗震效果。

6.2 基于強度性能采用的設計方法

此種方法是在橋梁工程抗震設計中應用最為普遍的方法，也是非常有效的方法，深受設計人員的歡迎。從具體設計情況來看，對橋梁工程地基進行靜荷載測試，然后再根據結構構件本身所具有的強度和抵抗性能等分析橋梁結構。將此方法應用在抗震設計中，能夠有效提升橋梁工程的抗震性能，對于其他橋梁工程的抗震設計也能提供一定參考[7]。然而，在實際設計中，應避免應用在地質結構缺乏穩定性的橋梁工程項目中，主要是因為如果地質結構不穩定，應用此方法所具有的效果也很低。由此看出，此設計方法具有一定局限性，但在應用過程中具有較為理想的實用性，依然被廣泛應用在很多橋梁工程項目中，使橋梁工程具有良好抗震性能。

6.3 材料延性設計

橋梁工程主要是混凝土鋼結構，其中包括了橋梁、支座、鋼索等結構，在施工時所使用的材料主要為金屬材料、混凝土材料，所以在進行抗震設計還要做好結構和材料方面的設計工作，是橋梁抗震設計中非常重要的內容。在設計過程中，應當先模擬地震力，然后再對材料進行更換，對試驗工程本身所具有的穩定性進行比對，以便完成抗震設計。材料延性設計在抗震設計上變得越來越全面，擁有理想的應用效果，能大大提升橋梁工程在使用時的安全性，確?？拐鹪O計的有效性。

7 結束語

總之，橋梁工程是我國社會發展過程中的基礎性工程，如果要保障橋梁工程的施工質量，應當重視橋梁的穩定性，遇到地震時不會受到嚴重破壞。所以，對橋梁結構進行設計時，要格外重視抗震性能設計，合理應用減隔震技術，確保橋梁擁有良好的抗震性能。本文從高阻尼支座、黏滯阻尼器、分層橡膠支座、擺式滑動摩擦支座四個方面進行了論述，按照具體情況選擇適合的技術，提高橋梁工程的抗震性能，使橋梁結構變得更加穩定。