減隔震橋梁設計方法及抗震性能分析

候耀華

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

在評價橋梁穩定性的過程中抗震性能屬于重要指標，為了保證橋梁結構在規定使用年限內可以滿足安全性要求，需要將減隔震設計合理融入橋梁規劃設計環節，在充分了解橋梁減隔震設計相關規范的基礎上，合理借助多種減隔震設計手段，同時配置與橋梁結構相適宜的減隔震裝置，使減隔震技術和裝置形成合力，在最大程度上提升橋梁結構的抗震性能。

1 橋梁減隔震設計概述

1.1 設計原則

出于降低各種自然災害影響的目的，橋梁必須達到足夠高的結構性能，出于防止安全事故的目的，相關人員應對橋梁減隔震設計工作保持足夠重視。在減隔震橋梁設計工作中應遵循以下原則：第一，針對性原則。相關人員在確定橋梁建設地址時，必須充分考慮當地實際情況，盡量避免橋梁抗震性能受到外部環境因素的影響。在原有設計經驗的基礎上，在橋梁設施設計區域以硬度較高的地質為佳，以此保證橋梁基礎具有足夠高的穩定性，防止橋梁地基受到各種災害的影響。另外，橋梁結構不可以建設在軟弱土層上，如果無法規避需要先采取適宜的措施處理軟弱土層；第二，差異性原則。在傳統減隔震橋梁設計中是以“同等安全度”為理念，在該理念下要求相關人員以相同的抗震性能標準設計橋梁各部件所有結構，然而與實際情況相結合可知，此設計理念在科學性方面存在一定不足，在實際使用中橋梁部件在整體上存在受力不平衡的問題，也就是說當存在不同橋梁結構時，其需要滿足不同抗震需求，如果在設計中仍然遵循“同等安全度”，無法為抗震設計的實效性提供有效保障。所以，在設計減隔震橋梁時，相關人員應該在充分考慮橋梁振動周期和受力結構的基礎上，有針對性地開展設計減隔震的工作，確保減隔震設計符合實際情況，高質量完成橋梁抗震設計；第三，整體性原則。為了設計出與實際抗震性能需求相符的橋梁結構，相關人員應從整體方面入手，保證各個橋梁結構在使用中承受相同的力，并且橋梁各結構都需要有效地連通橋梁主體，充分借助橋梁主體結構的支撐作用。

1.2 技術原理

橋梁減隔震技術簡單理解就是借助相應支座裝置幫助橋梁消除內部振動能量，使振動作用實際影響減輕，杜絕供應問題，以此使橋梁抗震性能達到更高水平。因此，在橋梁減隔震設計工作中，設計人員應在充分考慮橋梁結構特征的基礎上，選用適宜的減隔震技術，進而防止外部因素破壞橋梁結構穩定的情況。在橋梁減隔震技術實際運用中，需要在嚴格遵守橋梁結構件質量規范的基礎上選擇適宜的柔性裝置，利用裝置阻尼降低地震波能量，減少出現結構共振的幾率，可以起到保護橋梁結構的作用。借鑒原有的橋梁減隔震成功設計經驗，在嚴格遵循橋梁建設標準的基礎上，相關人員應盡量使抗震構件具有更高彈性和可塑性，并按照橋梁部位差異選擇適宜的減隔震裝置，同時規范落實維護橋梁主體的工作，提高其基礎穩定性，使墩柱擁有更低延性，借助各種有效措施提升橋梁抗震性能。

2 橋梁減隔震設計方法

2.1 合理選擇橋梁建設位置

通過分析減隔震橋梁設計原則可知，相關人員在工作過程中必須遵循因地制宜地選擇，在充分考慮實際情況的基礎上選擇橋梁建設位置，使橋梁可達到最大化的抗震性能。在正常情況下，需要在地質強硬的區域設計減隔震橋梁，能夠為橋梁的抗震性能打下堅實基礎，在建設區域滿足該條件時，若是橋梁無質量問題即使遇到地震災害事故橋梁結構也能維持較好的狀態。橋梁地基主要使用碎石、巖基以此保證橋梁擁有穩定的基礎。

2.2 確定環境因素

在2020年《公路橋梁抗震設計規范（2020）》正式實施，在此規范中明確指出，相關人員在選擇與應用橋梁減隔震技術時必須充分重視環境因素。想要滿足這一要求，在實際落實設計工作前，相關人員必須對施工現場進行仔細調查，深入了解當地水文、地質、環境等方面的情況，隨后針對性的設計橋梁，才能使減隔震作用充分發揮，使橋梁結構擁有更高的抗震性能，確保設計合理性和科學性。只有在滿足以下環境因素條件時才可以開展橋梁減隔震設計：第一，剛性橋墩結構擁有較短的振動周期；第二，橋梁擁有不規則的高度參數，如果橋墩結構存在差異較大的高度參數，則需要有針對性地落實延伸性設計；第三，在橋梁施工區域內若是存在顯著的地面地質結構運動特點，而且在一定時間內不能出現較大振動能量。

2.3 加強墩柱設計

在設計與建設橋梁的過程中墩柱結構是非常重要的內容，在橋梁結構中其能夠發揮隔震、減震、支撐的作用。所以，在設計減隔震橋梁時，相關人員應對設計墩柱的工作保持充分重視，保證其擁有良好的抗震性能。首先，需要明確橋梁建設地區需要達到的抗震等級，同時結合當地震動資料進行研判，以實際結果為基礎確定墩柱需要滿足的各項參數要求，保證墩柱可在承受相關震動后不會出現嚴重變形情況，利用墩柱結構使橋梁整體擁有更高抗震性能。其次，應該合理將配筋融入到橋梁墩柱中，使用的配筋必須滿足實際參數需求，在確保其符合強度要求的同時，提升墩柱配筋的穩定性，最終使橋梁擁有更加優異的抗震性能。

2.4 注重性能基礎

想要使橋梁結構抗震性能得到最大程度地提升，使減隔震橋梁達到更高的設計質量，在設計中應充分重視橋梁基礎性能，在實際開展設計工作時相關人員應該全面收集當地地震數據信息，掌握當地震動等級和地震程度，針對地震危害開展量化分析，然后結合分析結果明確橋梁減隔震防護范圍，從而制定出更加科學合理的橋梁減隔震設計方案。另外，在基于抗震性能開展橋梁結構設計時，應保證減隔震設計要點與其他設計要素可形成一個整體，保證橋梁結構擁有優異的抗震性能。

2.5 強度設計分析

第一，強度性能設計。在現如今的減隔震橋梁設計中強度性能設計較為常見，相關人員想要通過強度性能設計提升橋梁抗震性能，必須有效開展靜荷載試驗，了解和掌握橋梁工程地基的承載力，然后與橋梁結構各項參數相結合明確構件強度要求和抵抗性，進而使橋梁減隔震設計達到更高質量。以強度性能設計為基礎，可以有效提升橋梁結構抗震性能，擁有顯著的效果，但是通過分析相關的工程數據可知，如果是在軟弱地質區域建設橋梁，橋梁地基缺乏足夠穩定性，即使相關人員使用強度設計方法，也沒辦法發揮原有的橋梁減隔震效果。所以，這種設計方式的局限性較為明顯，相關人員在使用該方法時必須確保當地實際情況滿足其使用需求。第二，材料延伸性設計。目前，混凝土鋼結構是最常見的橋梁工程結構，也就是說在建設橋梁工程時鋼金屬和混凝土是最常用的材料，為了確保橋梁減隔震設計效果，使橋梁結構擁有更高的抗震性能，相關人員需規范落實施工材料延性設計。在開展材料延性設計的過程中，需模擬實際地震力情況，對各種材料延伸性能開展逐步分析，明確在試驗過程中各種材料的實際表現，選擇出最優的施工材料，并落實有針對性的抗震設計工作。在設計減隔震橋梁的過程中材料延性設計屬于輔助性手段，可以使減隔震設計變得更加全面，促進橋梁結構與減隔震設計深度融合。

3 減隔震橋梁工程實例的抗震性能分析

某橋梁工程中相關人員決定在設計工作中使用減隔震技術，工程實際情況如表1所示。

表1 某橋梁工程概況

本工程的主要設計方案為將20 000 kN的盆式鉛銷橡膠隔震支座（LRB）設計在中墩處。

在開展設計工作的過程中，相關人員針對橋梁建設區域開展了檢測工作，明確了相關的設計要求和地震動參數，詳細情況如表2所示。

表2 某橋梁工程設計要求和地震動參數

根據上述內容可知，相關人員必須按照如下思路逐一確定鉛銷橡膠隔震制作的各項設計參數：以正常運行狀態下的橋梁變位要求和支座豎向承載力等參數為基礎，初步確定支座橡膠層厚度和面積等；以此為前提，分別計算屈服力等力學參數。組織計算和測評工作，最終確定了以下參數：1 130 mm×1 130 mm支座尺寸，161 mm橡膠層總厚度，4根180 mm直徑的鉛銷，87 143 kN/m的初始剛度，6 987 kN/m的屈服剛度，1 068 kN屈服力。

針對沒有采取減隔震設計技術的區域，使用盆式橡膠支座（PRB）作為支座。其中，橋墩、主梁都為梁單元，確保擁有固結狀態的墩底，借助彈簧單元有效連接各個墩梁；針對隔震橋模式設計區域，需要使用鉛銷橡膠支座作為中墩支座。邊墩處需完成四氟滑板支座聚攏；橋墩和主梁均采用梁單元，其他設計與常規橋模式相同。

相關人員在測評抗震性能后發現，借助LRB支承方案能夠使結構的固有周期大幅度延長，對于與地震能量集中存在較遠距離的頻率區段，可發揮顯著的隔震作用。詳細參數如下：在順橋向、橫橋向PRB盆式橡膠支座結構分別可達到0.61 s和0.70 s固有周期；在順橋向、橫橋向LRB鉛銷橡膠支座分別可達到1.13 s和1.42 s固有周期，明顯比PRB模式擁有更為優越的性能。

在E1級地震情況下，獲得了如下彈性反應譜分析結果：在順橋向和橫橋向PRB支承方案均僅使用兩個橋墩，橋墩主要用于承擔水平地震力，致使出現遠遠高出彈性狀態峰值的彎矩響應，相關抗震設防的標準無法得到滿足；與之相比，在順橋向和橫橋向LRB支承方案都設置了四個中墩，可以滿足負荷水平地震力的要求，同時橋墩始終能夠維持良好的彈性，從而可有效滿足抗震設防標準。在中震情況下，獲得了以下墩底彎矩響應參數：在PRB方案中，順橋向為154 728 kN·m，橫橋向為111 058 kN·m，屈服彎矩為40 570 kN·m；而在RLB方案中，順橋向為21 602 kN·m，橫橋向為21 472 kN·m，屈服彎矩為34 790 kN·m。

在E2級地震情況下，獲得了以下非線性時程分析結果：LRB鉛銷制作在橋梁整體中可代替墩底作為第一塑性區，其能夠發揮耗散地震能量的作用，可以使橋墩維持良好的彈性狀態，從而使橋梁設計達到抗震的設防標準。實際參數對比情況如下：在PRB方案中，梁體在順橋向和橫橋向分別擁有72.0 mm和64.5 mm位移；而在LRB方案中分別為96.2 mm和91.4 mm。墩底彎矩結果如下：在PRB方案中，順橋向為44 679.8 kN·m，橫橋向為38 610 kN·m；在LRB方案中，順橋向為35 010.0 kN·m，橫橋向為31 950.0 kN·m。通過分析對比結果可知，兩種設計方案之間存在明顯差異。

結合以上數據可知，在運用鉛銷制作后，會在很大程度上提升梁體位移情況，之所以會有這種情況出現，主要是由于鉛銷制作擁有“滯回”效果。在充分考慮雙向地震動激勵作用的基礎上，在很大方向梁體會產生更大的位移。傳統的伸縮裝置無法滿足處理相關問題的要求，極易進一步降低鉛銷支座的只會作用，出于避免落梁的目的，相關人員還需要設計防落梁和伸縮兩種配套裝置。

4 結束語

在社會經濟發展過程中橋梁工程扮演著重要的角色，能夠為人們運送物資和出行提供方便，工程結構穩定性對人們出行安全產生直接影響。以此，相關人員應該在充分重視橋梁安全問題的基礎上，合理落實減隔震設計工作，提高橋梁工程整體結構的安全性。在實際運用減隔震技術的過程中，相關人員需要在充分考慮實際情況的基礎上選擇適宜的技術，充分發揮減隔震技術和抗震技術的作用，進而增加橋梁工程的可使用年限，使其運行狀態變得更加穩定。