陳立楠，李琪

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

橋梁設(shè)計(jì)中，梁和墩的強(qiáng)度、延性不夠會(huì)引起橋梁震害。除此之外，一般砂土液化和地基下沉等地質(zhì)現(xiàn)象也可以引起橋梁基礎(chǔ)破壞，從而導(dǎo)致橋梁倒塌。在地震中，橋梁的結(jié)構(gòu)形式和連接措施會(huì)對(duì)震害有很大影響。如果橋梁的支撐點(diǎn)存在激勵(lì)不一致的問題，也會(huì)引起橋梁震害。傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法是增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的自身強(qiáng)度及其延性（變形能力）來提高對(duì)地震力的抵制作用，增加吸收地震能量的作用。雖然這種方法可以在一定程度上防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，但是結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及產(chǎn)生的損傷是不可避免的。傳統(tǒng)方法不能從本質(zhì)上提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，而且會(huì)使得成本增加，美觀度下降。新的抗震設(shè)計(jì)是采用隔震技術(shù)，運(yùn)用新技術(shù)提高相關(guān)構(gòu)件的彈塑性，以緩沖地面對(duì)橋梁的支反力，降低地震引起的橋梁主體結(jié)構(gòu)破壞，不僅降低工程成本、簡(jiǎn)化程序，還不影響主體結(jié)構(gòu)，保證橋梁觀感[1]。

1 隔震技術(shù)概述

隔震技術(shù)是利用隔震裝置減小或截?cái)嗟卣鹉芰窟M(jìn)入主體結(jié)構(gòu)，有時(shí)和減震技術(shù)結(jié)合使用。實(shí)際上就是通過減震或者隔震裝置來改變結(jié)構(gòu)在地震中的振動(dòng)響應(yīng)特性，減少?zèng)_擊能量對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的輸入[2]。

橋梁減隔震設(shè)計(jì)有很多好處，表現(xiàn)在：

（1）有效調(diào)整橋梁水平方向上的剛度，使豎直平面內(nèi)扭力平衡，有效降低地震帶來的橫向作用力；

（2）既不影響工程造價(jià)，又能保障橋梁在地震中的安全性，大大提高了橋梁的性價(jià)比；

（3）可以保護(hù)橋梁下部基礎(chǔ)，提高結(jié)構(gòu)承載力和優(yōu)化支座反力；

（4）在地震時(shí)，一般橋梁有可能表現(xiàn)出超出彈性設(shè)計(jì)范圍的情況，減隔震裝置可以有效消除這種結(jié)構(gòu)變形。

隔震技術(shù)原理：一是提高結(jié)構(gòu)柔性，延長自振周期，減小其地震反應(yīng)；二是增加結(jié)構(gòu)能量耗散能力或者阻尼，減小由于自振周期的變化帶來的結(jié)構(gòu)位移；三是減隔震裝置必須能支撐起整個(gè)主體結(jié)構(gòu)，保證整體在正常設(shè)計(jì)載荷下有足夠的強(qiáng)度和剛度。如圖1（a）所示，增加結(jié)構(gòu)自振周期，結(jié)構(gòu)位移也相應(yīng)增加，可采取圖1（b）的方法，即增加結(jié)構(gòu)阻尼，抑制結(jié)構(gòu)位移的增加。

圖1 結(jié)構(gòu)周期反應(yīng)譜

市政橋梁減隔震設(shè)計(jì)技術(shù)尤其適用條件，根據(jù)已有國內(nèi)外文獻(xiàn)可以得到其必須滿足的條件為：一是橋梁中包含剛性墩，橋梁本身自振周期短；二是橋梁垂向尺度不規(guī)則，比如相鄰橋墩有不同高度，這就需要某個(gè)橋墩有很好的延性；三是地面運(yùn)動(dòng)特性明確，長周期內(nèi)含能量較低。有的情況就不適合使用隔震裝置，比如：基礎(chǔ)地面不穩(wěn)定，下部結(jié)構(gòu)是大柔性結(jié)構(gòu)，延長周期可能引起結(jié)構(gòu)共振；支座支反力存在負(fù)值[3]。

2 常用減隔震裝置模型及原理

2.1 抗震滑動(dòng)摩擦支座

抗震滑動(dòng)摩擦支座的減震原理[4-6]：正常環(huán)境下，其作用為普通固定鋼支；地震環(huán)境下，如果支座剪力大于水平設(shè)計(jì)承載力，則限制載荷剪力銷將被剪斷，支座變?yōu)榛瑒?dòng)支座，達(dá)到隔震效果；滑動(dòng)過程中，支座內(nèi)產(chǎn)生的摩擦力起到耗能作用。其滑動(dòng)前后的路徑符合雙線性恢復(fù)力模型，如圖2所示。圖2中K、K p分別為支座滑動(dòng)前后剛度，Kp的值一般依據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的控制位移來確定；Qy為支座限位力；開始滑動(dòng)時(shí)變形Xy值一般取2 mm?？拐鸹瑒?dòng)摩擦支座原則上只適用于橫向減隔震設(shè)計(jì)，只有當(dāng)?shù)卣鹱饔脤?duì)審核及起控制作用時(shí)才能用于縱向減震。

圖2 雙線性恢復(fù)力模型

圖3為抗震互動(dòng)摩擦支座的力學(xué)模型，其中F支座為滑動(dòng)摩擦力。

圖3 抗震滑動(dòng)摩擦支座力學(xué)模型

2.2 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器一般由三部分組成，即缸體、活塞和流體?；钊习枘峥?，在缸體內(nèi)可做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，流體充滿整個(gè)缸體，一般為硅油或者其他黏性流體[7]。

粘滯阻尼器的阻尼力是速度相關(guān)冪函數(shù)，當(dāng)活塞的振動(dòng)頻率比4 Hz小時(shí)，認(rèn)為其剛度為零，阻尼力表達(dá)式為：

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；ν為速度；α為速度指數(shù)。

在實(shí)際使用中，可以根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性來選擇合適的阻尼器，使其減隔震效果達(dá)到最佳。

粘滯阻尼器的運(yùn)行原理為：活塞和缸體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，壓力差使得黏性流體從阻尼孔中流過，產(chǎn)生阻尼力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)。相對(duì)于其它減隔震裝置，其最大特點(diǎn)是：輸出的阻尼力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的反應(yīng)存在π/2的相位差，并且不產(chǎn)生附加剛度。所以，粘性阻尼器在不改變主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的情況下，可以減少相應(yīng)位移，同時(shí)不產(chǎn)生附加內(nèi)力。粘滯阻尼器力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 粘滯阻尼器力學(xué)模型

圖4中，C為阻尼系數(shù)，K為阻尼器剛度，K b為連接彈簧剛度。當(dāng)阻尼器活塞頻率小于4 Hz時(shí)，連接彈簧剛度Kb表達(dá)式為：

式中：T為結(jié)構(gòu)的第一周期。

2.3 lock-up裝置

簡(jiǎn)單來講，Lock-up裝置是一個(gè)速度開關(guān)。當(dāng)墩和梁之間的速度差沒有達(dá)到Lock-up啟動(dòng)速度時(shí)，此裝置對(duì)結(jié)構(gòu)沒有任何影響。在地震作用下，墩和梁之間的速度差達(dá)到其啟動(dòng)速度時(shí)，裝置立即啟動(dòng)并鎖住，這時(shí)候裝置的作用相當(dāng)于大剛度的連桿，墩和梁之間的節(jié)點(diǎn)計(jì)算由圖5中的（a）變成（b），自由墩變?yōu)楣潭ǘ?，共同承?dān)地震作用[8-10]。

圖5 使用Loc kup裝置原理圖

圖5中，a、b是橋梁上部結(jié)構(gòu)，c是橋墩，節(jié)點(diǎn)2為梁上的節(jié)點(diǎn)，4為墩頂部節(jié)點(diǎn)，在2和4之間水平安裝lock-up裝置。

Lock-up裝置有3個(gè)主要參數(shù)，即最大沖程、承載力和啟動(dòng)速度。在正常環(huán)境下，裝置不能限制橋梁的自由變形，這樣可以確定其最大沖程；啟動(dòng)速度依據(jù)工程具體要求確定；承載力通過具體計(jì)算確定。方法為：將裝置看做一個(gè)剛性連桿，對(duì)變換后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載作用下的內(nèi)力分析，最大內(nèi)力作為裝置的設(shè)計(jì)承載力極限值。

2.4 鉛芯橡膠支座

在普通橡膠支座中加圓柱形鉛芯就構(gòu)成鉛芯橡膠支座，如圖6所示。

圖6 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座減隔震原理為：在正常環(huán)境下，鉛芯和普通固支有同樣的剛度；地震作用下，材料鉛容易發(fā)生過屈服，固支轉(zhuǎn)為滑動(dòng)支座，這時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期得到延長，輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量就大大減小。另外，鉛芯還有很高的耗能能力。綜上，鉛芯橡膠支座在正常使用下可以限位，地震作用下有耗能和隔震作用。

鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)參數(shù)為：屈服力Qd、屈服前后結(jié)構(gòu)剛度K1、K2。屈服力和屈服剛度對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)影響都很大，通過調(diào)整其值大小，可以使結(jié)構(gòu)達(dá)到滿意的減震效果。其關(guān)系式為：

式中：W為支座垂向設(shè)計(jì)承載力；Q d/W為屈服比，反映其橡膠量和鉛芯量之比。

鉛芯橡膠支座使用條件建議在以下情況下考慮：設(shè)防烈度大于6度，橋梁整體基本自振周期短，地質(zhì)條件較好。

3 隔震設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題

在隔震設(shè)計(jì)中，要正確分析橋梁系統(tǒng)的抗震傳力路徑，然后采用有效的技術(shù)裝置和措施，保證隔震裝置在地震時(shí)能起到緩沖耗能作用?，F(xiàn)階段我國的隔震設(shè)計(jì)還不規(guī)范全面，而且設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)都不足，容易在橋梁構(gòu)造細(xì)節(jié)和施工措施上出現(xiàn)很多不科學(xué)的地方，大大影響減隔震裝置的性能作用。比如粘滯阻尼器的使用過程中，經(jīng)常發(fā)生泄漏油的事故。再者，我國還沒有形成完備全面的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)，如若不合格的隔震裝置引進(jìn)市政橋梁設(shè)計(jì)中，會(huì)造成安全隱患。最后，產(chǎn)品的耐久性和疲勞性能等特性必須要及時(shí)檢測(cè)，相關(guān)部門也缺乏相應(yīng)機(jī)制和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。所以，相關(guān)部門規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，以及完善基礎(chǔ)設(shè)備檢測(cè)程序和標(biāo)準(zhǔn)亟待解決。施工部門提高施工技術(shù)，注意細(xì)節(jié)問題，爭(zhēng)取不留安全隱患也尤為重要[11，12]。

4 結(jié)語

綜上，在市政橋梁設(shè)計(jì)中引入隔震設(shè)計(jì)可以大大提高橋梁在地震環(huán)境下的安全性能，不僅節(jié)約成本，而且不影響橋梁美觀。但是我國目前的減隔震技術(shù)還沒有形成成熟標(biāo)準(zhǔn)，要正確學(xué)習(xí)和借鑒國外先進(jìn)橋梁隔震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[13]，探索總結(jié)出符合我國市政橋梁建設(shè)的隔震設(shè)計(jì)技術(shù)，更好地為城市建設(shè)和人民安全作出貢獻(xiàn)。

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