橋梁抗震設計關鍵內容與減震、隔震技術的應用

摘 要：為避免因發生地震而出現的橋梁結構失穩、倒塌問題，該文針對橋梁工程的抗震設計進行詳細分析，結合橋梁結構出現的震害，提出橋梁抗震設計的關鍵點、減隔震技術的運用對策，旨在以橋梁工程為例，對比減隔震技術相較于非減隔震技術在提升抗震性能、降低震害風險等方面起到重要作用。這一研究將為橋梁抗震設計，合理運用減隔震技術提供重要參考。

關鍵詞：橋梁；抗震技術；減隔震技術；設計要點；抗震性能

中圖分類號：U442.55 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0139-04

Abstract： In order to avoid the instability and collapse of bridge structures due to earthquakes， this paper conducts a detailed analysis of the seismic design of bridge projects. Combined with the earthquake damage of bridge structures， it puts forward the key points of bridge seismic design and the application countermeasures of seismic reduction and isolation technology. The purpose is to compare the important role of seismic reduction and isolation technology compared with non-seismic isolation technology in improving seismic performance and reducing disaster risk by taking bridge projects as an example. This research will provide an important reference for the seismic design of bridges and the reasonable use of seismic isolation technology.

Keywords： bridge; seismic technology; seismic isolation technology; design points; seismic performance

伴隨著橋梁工程的快速發展，為人們的出行提供了諸多的便利，成為人們生活中不可或缺的一部分。但是從近幾年頻繁發生的地震而言，橋梁結構在設計階段如果沒有做好減震和隔震的措施，將會大大降低橋梁抗震的效果，同樣也會危害到人們的人身安全和財產安全。因此，研究橋梁抗震設計以及分析減隔震技術的運用情況將具有重要意義。

1 橋梁常見震害

目前，地震所造成的橋梁病害類型主要有主梁破壞、伸縮縫破壞、支座破壞和橋墩破壞等。這些病害出現的部位各不相同，如圖1和圖2所示。

其中在橋梁的整體結構之中，發生橋梁病害概率最大的就是支座部位、伸縮縫部位的連接構件。當遇到地震時，應在設計過程中，使用擋塊或者連梁的設備，從而避免支座出現坍塌或者落架，影響支座的正常使用。地震之中出現橋梁墩臺的損害，其主要表現為：橋墩受到地震的沖擊會出現不同程度的裂紋；橋墩出現剪斷；橋臺下沉；路面也容易產生變形。

在對這些地震誘發的震害現象進行分析，橋梁抗震設計還存在諸多問題，其最為主要的影響因素就是一直采用傳統抗震設計手段。一是，對橋梁結構布置的形式進行整體規劃，注重結構的完整性，避免結構出現不規則的問題或者結構質量較差的問題。二是，橋梁上下結構的連接方式應該適當地選擇，高橋墩的橋梁在連接方式上應該選擇具有一定剛性的連接方式；對于矮橋墩，可以使用塑性鉸連接。并且連接時也要注意搭接的長度。從震害統計上看，對于采用板式橡膠支座的橋梁而言，雖然橋梁的上部結構出現了位移，但是由于有混凝土擋塊，所以分攤了地震能耗，可以抵擋橋梁下部結構所出現的較大地震力。所以這一抗震設計對策使用得較為廣泛。但是如何將上部梁體所出現的位移進行控制，并合理利用擋板，還需要進行深入的研究。

2 橋梁工程中橋梁抗震設計的關鍵點

橋梁工程中開展抗震設計需從多個方面進行考慮，如橋梁結構設計、橋墩選擇、支座設計等。以下針對這些關鍵點進行了詳細的概述。

2.1 橋梁上部結構設計

橋梁上部結構直接關乎車輛是否能夠在橋梁上正常通行。在進行橋梁上部設計時，應該考慮上部結構的承載力及其他的力學性能。同時，上部結構在設計時還應該對施工期間的施工工藝、保養情況等進行不斷優化，以避免橋梁在正常使用時，由于上部結構保養不到位、沒有按照規范開展施工等使上部結構出現不同程度的磨損、裂縫等，降低承載能力。地震發生時，橋梁的上部和下部結構會因為震動大小而出現位移情況，導致上部結構遭受重大的破壞，使得橋梁易出現坍塌風險。針對這一問題，控制好上部結構的位移值尤為重要。例如，合理選擇抗震材料，增加上部結構梁和柱、板的剛度設計，增強上部結構對地震力的抗震能力，降低地震力產生的位移；引入減震器、阻尼器等，通過消耗地震能量以減少上部結構產生的位移；做好連接節點的剛度和強度設計；采用加固技術，避免橋產生較大的位移或者發生變形。即設計人員可通過增加橫梁、縱梁等縱向連接構件，以提升橋梁的穩定性，避免上部結構出現不同程度的位移和變形；設計人員在橋梁橫向方向引入跨梁或者橫向梁，通過設置約束構件以此增加橋梁的穩定性；使用預應力技術對橋梁進行加固。

2.2 支座的設計要點

支座在連接橋梁的上部結構和下部結構時，由于其具備傳遞荷載的能力，可避免構件在傳遞過程中出現收縮、變形、結構位移等情況。尤其是當發生地震災害時，還可對橋墩起到一定的保護作用。

在選擇支座的材料時，應選擇抗震性和韌性較強的材料，如橡膠和鋼材，這些材料能夠使得橋梁在發生地震之后，緩解橋梁結構產生橫向震動和縱向震動。在設計支座時，需要根據地域環境、橋型等選擇出適合的支座。例如，對于中小跨徑的橋梁可以選擇高性能橡膠支座；對于大跨度的橋梁，其對于位移控制要求較高，可以使用彈簧支座。同時這一類型的橋梁，還可以使用液壓支座，當出現地震時，支座可借助自身的支座剛度和阻尼，減少對橋梁的威脅，避免發生橋梁位移嚴重或者變形嚴重的問題。

設計過程中通過對橋梁的恒載、橋梁的活載、支點處的反力、墩臺處的支座個數等進行明確，可更好了解支座的承載力。設計支座的承載力時需結合規范標準，滿足其條件要求。即支座最大反力與支座容許承載力在進行對比時，其比值小于等于0.05；最小反力與支座容許承載力進行對比時，其比值大于等于0.8。同時，考慮到支座滑移能力，最小反力應進行限制。在設計支座時不需要增加相應的安全儲備，當計算出支座處的最大反力之后或者最小反力之后，其數值為4 100、3 700 kN，那么在選用支座時就可以選擇4 000 kN承載力的支座。

2.3 橋梁高墩抗震設計要點

橋梁高墩在設計時需考慮到地震之后橋梁高墩可能會發生的位移問題。而造成位移的主要原因與橋梁的質量、橋梁的剛度不平衡有直接關系。因此，橋梁高墩在進行設計時需要考慮以下設計要點，見表1。

從表1中可以得知，橋梁高墩在進行設計時，需根據不同的設計要點進行設計，并布置設計方案，促使該方案能夠具備一定的抗震性。

橋梁結構主要為曲線橋梁，由于其外形的影響，橋墩的高度并不一致，呈現出參差不齊的情況。橋墩之間的高度差會對其抗震性產生影響，高橋墩和低橋墩是否會產生耦合的作用也會對橋梁的整體結構產生不同的影響。例如，對于高橋墩和低橋墩在發生耦合的作用后，其帶來的影響主要表現為地震災害更加嚴重，兩者效應的疊加，產生的破壞性更加強烈；對于高橋墩和低橋墩兩者在沒有發生耦合的情況時，橋墩的底部非常容易產生位移，橋梁與支座之間會出現脫落和破碎的問題。

另外，不同的橋墩形狀對抗震設計會產生不同的影響。所以針對橋墩選型的問題設計人員需引起重視。在進行選型時，設計人員會根據工程的施工情況選擇適合的橋墩，以下針對不同橋墩選型進行了高度設計，通過滿足這些條件，以此保障橋梁結構的安全性，見表2。

2.4 地震荷載

地震荷載的分析應確定好所在區域的震動峰值、加速度。同時還需要確定抗震的設計程度。即設計過程中其抗震程度應該高于1度。設計過程中通過增加擋塊，分別為橫向擋塊和豎向擋塊，加裝好橡膠墊片。針對不同部位的結構可增加鋼筋的數量，使得其結構可以得到一定的延伸。例如，對于一個7度區的高速公路橋梁工程項目，橋梁規格為B類。地震的基本烈度為7度，地震動峰值加速度為0.109 g，場地地震動反應譜特征周期為0.45 s。根據橋墩高度超過30 m，不再是規則的橋梁，抗震性能分析變得非常重要。可以使用MM/TH法來設計橋梁的抗震要求。MM/TH法是一種基于地震動指標的抗震設計方法，可以通過分析地震動峰值加速度和反應譜特征周期等參數，確定橋梁的抗震性能要求。在設計過程中，需要考慮橋梁結構的抗震性能以及橋墩的高度等因素，以確保橋梁在地震發生時能夠承受地震力的作用，保證結構的穩定和安全。

3 減隔震技術的應用與分析

3.1 減隔震設備的類型與分析

從當前橋梁工程所發生的地震災害上看，一旦橋梁受到不同程度的震感，其會在結構方面產生變形、裂縫等。同時，還會造成結構的位移，影響整體的結構質量。而之所以產生結構的變形或者部件的損害，其可能是與設計階段出現材料設計不合理、結構設計不合理、尺寸不合理等有直接關系。因此，在設計橋梁過程中需要注意結構形式的選擇、材料的優選和保障尺寸的合理性等，從而使得結構質量得到有效保障，也能夠增強材料的剛度。同時結合地震所帶來的不良影響，需要設計人員靈活進行結構的尺寸和剛度設計，從而保障橋梁結構的穩定性。換句話說，設計完成之后很難進行大范圍的調整，一些設計的參數被固定下來，不容易進行修改。因此，橋梁抗震設計時，應了解結構的地震能力耗散程度、耗能等。其中地震能力耗散主要是指當地震發生時，橋梁結構會對地震能量進行吸收或者消散，針對這一情況，抗震設計時則會使用耗能的裝置或者使用隔震裝置、減震裝置等以幫助橋梁在地震發生時吸收和分散地震能量，進而減少結構的震害程度，使得結構具備一定的抗震性能。

其中，減震設計是通過安裝減震裝置來吸收和分散地震能量，減小橋梁結構的震害程度。減震裝置可以提供額外的耗能和柔度，從而減少結構的動態響應。常見的減震裝置包括摩擦減震器、液壓緩沖器、鋼球阻尼器等。減震設計在橋梁抗震設計中的應用可以提高結構的地震能力耗散和耗能的有效性。隔震設計是通過在橋梁與地基之間設置隔震支座，使橋梁與地震動之間產生相對的位移，從而減小地震動對橋梁的影響。其中隔震設計過程中常見的隔震設計措施主要有隔震墩、隔震橡膠支座、隔震拼接梁、隔震阻尼器。目前應用最多的減隔震裝置為橡膠類支座、摩擦類的制作、彈性阻尼器。

橋梁減隔震設計過程中需考慮不同減隔震裝置的力學性能，針對其力學性能展開研究和分析，這成為研究的難點和重點。

3.2 減隔震橋梁地震反應分析

本橋梁工程主要采用預應力混凝土簡支箱梁橋結構，針對該結構的抗震性能進行研究和分析。其中使用的支座造型為E型鋼阻尼隔震支座。這一支座主要是將普通的橡膠支座與彈塑性軟鋼阻尼元件進行結合。該支座具有一定的韌性和抗震性能。

在分析E型鋼阻尼元件的力學模型時，為了簡化計算和提高研究效率，研究者們常采用桿系模型作為研究工具。在橋梁結構中，鉸支扮演著橋梁下部結構與兩側結構連接的關鍵角色，而中間的可動點則與橋梁上部結構緊密相連，共同承受著橋梁的受力。結合公式F=σy×b×h+σy×（b1+b2）×l進行計算，其中：F代表所考慮的外力；σy為E型鋼板的屈服強度，反映了材料的抗變形能力；b代表直臂段的寬度，決定了元件在受力時的穩定性；h為力臂的長度，它影響了力的傳遞和分布；b1和b2分別為中間臂和側臂的平均寬度，它們共同構成了E型鋼板的獨特結構；l為E型鋼板直臂段的長度，對元件的整體性能和受力分布具有重要影響。

并且在運用這一公式時需要了解公式中的σy與材料的屈服強度相關，而εy則表示屈服應變。此外，εmax是由所使用的鋼材類型決定的，而s則代表板厚。這些參數共同決定了E型鋼阻尼元件在橋梁結構中的力學表現。

為了更加深入地理解這一模型，我們需要對各個參數進行詳細的分析和討論，以便更好地應用于實際工程中。在利用這一公式進行計算時，其使用的模型增多，即在應用了E型鋼阻尼元件的力學模型基礎上還使用了疊加的盆式橡膠支座的力學模型，這2個模型的疊加形成了組合式的減隔震支座力學模型。圖1中展示了E型鋼阻尼支座的力學模型。

地震分析過程中，本項目所使用的軟件為FRAME，該軟件中通過建立不同的計算模型，即有隔震橋梁的計算模型和非隔震橋梁的模型。針對于該模型之中的單元使用情況，不同部位使用的單元不同。例如，有限模型中主梁的部位則使用了線彈性梁單元；對于支座的位置，則使用了雙直線的彈簧單元。使用的單元不同，所起到的抗震作用也是不同的，即不會產生較大的變形或者裂縫等。本項目中為了保障不同部位的抗震效果，則在該軟件之中建立了“基礎-橋墩-支座-梁體”的模型，該模型可對這些部位展開不同的計算。

在使用這一軟件進行E型鋼阻尼支座進行建模時，能夠從該模型之中了解到該工程的抗震情況。選取數據庫之中的歷史震動記錄數據。這些數據主要為：EICentro波、SanFernando波和汶川地震波。這些數據可為開展結構動力時反應分析提供必要的條件，在進行分析和計算后得出隔震橋梁與非隔震橋梁在地震的影響下會出現的事故。一是，支座出現不同程度損傷，主要判斷支座位移是否超過可以承載的極限位移；了解支座產生的損傷。二是，梁體可能會出現的位移；墩底最大剪力結構在發生地震時出現的不同響應。

在進行對比分析后可知，①隔震橋梁隔震支座相對于非隔震橋梁隔震支座，前者發生的位移要大于后者。②2個支座在遇到地震后，前者產生的損壞明顯小于后者。③隔震橋梁梁體所發生的位移要小于非隔震橋梁的梁體。④墩底的剪力值小于非隔震橋梁。因此，橋梁工程中運用隔震橋梁技術，其可提升橋梁結構的抗震性，使得橋梁結構的地震力作用明顯降低。

4 結束語

由此可見，橋梁建設過程中為避免震害帶來的經濟損失，可通過提升橋梁工程的抗震建設水平，引進減隔震技術等以化解橋梁建設中存在的難題，也為解決橋梁抗震設計提供了更多的可行性。同時，減隔震技術的運用還能夠為規范橋梁工程施工，保障橋梁工程能夠規范化、標準化發展提供重要的技術支持。基于此，本文詳細概述了橋梁抗震設計的關鍵要點，結合橋梁各結構部位，以做好抗震的分析和措施。并通過分析減隔震設備類型和功能；進行數值模擬和理論分析后，分析隔震橋梁與傳統非隔震橋梁的地震響應，對比減隔震技術的地震抵抗力和可能產生的地震危害等，旨在不斷完善減隔震技術，為橋梁工程建設工作提供重要的參考。

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