王桂鵬

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市河西區(qū) 300074）

橋梁結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)探討

王桂鵬

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市河西區(qū) 300074）

我國是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國家，地震發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、分布范圍廣、傷亡多、災(zāi)害嚴(yán)重，特別是近年來發(fā)生的地震給我們帶來慘痛的教訓(xùn)。與此同時(shí)，橋梁作為地震發(fā)生后生命線的重要樞紐通道，一旦在地震中發(fā)生破壞，等于切斷了地震區(qū)生命線，次生災(zāi)害將十分嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失無疑將大大加劇。本文主要介紹了橋梁減隔震設(shè)計(jì)的原理以及橋梁結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)，希望能給設(shè)計(jì)人員提供一些橋梁減隔震措施參考，減少地震對橋梁結(jié)構(gòu)損壞。

橋梁 結(jié)構(gòu) 減隔震 設(shè)計(jì)

前言

地震是一種突發(fā)性、毀滅性的自然災(zāi)害，它對人類社會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如何減少橋梁結(jié)構(gòu)在地震中遭受損害，是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又重大問題。傳統(tǒng)橋梁抗震方法，往往是通過結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度、剛度、變形能力來達(dá)到抵御地震目的，但是這種通過結(jié)構(gòu)自身彈塑性變形來散耗地震能量方式會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)帶來損傷，因此需在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮即不對結(jié)構(gòu)造成損傷還可以起來消耗地震力抗震措施。

一、減隔震的基本原理以及地震對橋梁的破壞

(一)減隔震的基本原理

減隔震技術(shù)包含隔震和減震兩個(gè)概念。減震是在橋梁結(jié)構(gòu)的特定部位設(shè)置阻尼器，控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，減輕結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)從而降低破壞度。隔震是將結(jié)構(gòu)與破壞地面運(yùn)動(dòng)盡量分開。而要達(dá)到目的，就要延長橋梁結(jié)構(gòu)自振周期，減少橋墩頂部地震位移反應(yīng)，同時(shí)減小上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，保證橋梁的安全。橋梁隔震的原理是依靠隔震裝置延長橋梁自振周期，大幅度增加結(jié)構(gòu)的阻尼特性，從而降低橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的加速度反應(yīng)，同時(shí)可以將地震力均勻地分布到各個(gè)橋墩上，避免地震力集中在某一個(gè)橋墩上。

(二)地震對橋梁的破壞

地震對橋梁的破壞主要反映在橋梁結(jié)構(gòu)的以下三個(gè)部位，第一個(gè)部位上部結(jié)構(gòu)震害，主要體現(xiàn)為相鄰梁體碰撞，梁體側(cè)傾及落梁，上部結(jié)構(gòu)的震害一般為橋梁其他部分的毀壞而導(dǎo)致，主要原因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生了過大的相對位移。第二個(gè)部位支座，表現(xiàn)為支座傾斜、剪斷、錨固螺栓拔出，地震發(fā)后，支座的破壞極為普遍，是橋梁整體抗震性能中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。第三個(gè)部位下部結(jié)構(gòu)，橋墩開裂、傾斜甚至傾覆。對于地震對橋梁的破壞，是可以采取有效的方法加以避免的，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持仔細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)態(tài)度，做好橋梁的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，充分考慮現(xiàn)代先進(jìn)的減隔震技術(shù)，避免災(zāi)害發(fā)生時(shí)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞。

二、橋梁減隔震技術(shù)

(一)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)

橋梁減隔的傳統(tǒng)技術(shù)，是利用橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強(qiáng)度和變形能力來應(yīng)對，由于地震對地基的破壞，在傳統(tǒng)上，多是采用精細(xì)的內(nèi)部構(gòu)件來確定橋梁整體的穩(wěn)固和完整無缺，但是因?yàn)橄喈?dāng)于用橋梁自身來抵御震動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力，不可避免會(huì)造成橋梁的損害。在之后的研究中，技術(shù)人員也多次采取不同的設(shè)計(jì)，但是事實(shí)證明，利用減隔震技術(shù)是這些設(shè)計(jì)中最為合理的，也最為實(shí)用的技術(shù)。傳統(tǒng)過程中所采取的減隔震技術(shù)，具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)卻比較明顯。

(二)減隔震技術(shù)

結(jié)構(gòu)構(gòu)造的強(qiáng)度是減震技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)，減震技術(shù)可以更好的控制地震力造成的損害。這種措施能夠?qū)⒈居械恼駝?dòng)時(shí)間延長，將從地震內(nèi)部傳來的能量耗散，對于水平力傳遞的壓力在一定程度上減少。利用減震技術(shù)，能夠很好的減小地震對橋梁造成的影響。然而，得失是一把雙刃劍，在降低地震影響的同時(shí)，由于地震壓力的影響橋梁內(nèi)部構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)位移的情況，這種情況對于橋梁的影響盡管不大卻會(huì)造成一定的安全隱患，所以說，在進(jìn)行減震安裝之前，必須進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，確保構(gòu)件在安全的位置上。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的迅速進(jìn)步，科研技術(shù)也有了一定的提高，一直以來，減震技術(shù)都在不斷的更新，更是許多領(lǐng)域都普遍應(yīng)用了，通過不斷的實(shí)驗(yàn)表明，減震技術(shù)對于地震的有效防護(hù)以及抗擊有了很大的提高。

三、減隔震裝置

(一)HDR高阻尼橡膠支座

HDR高阻尼橡膠支座是采用高阻尼橡膠材料與鋼板等結(jié)構(gòu)件硫化而成的一種橡膠支座，具備良好的阻尼性能。高阻尼橡膠支座既可以保持疊層橡膠支座所具有的良好力學(xué)特性，同時(shí)具有較高的阻尼值，在地震中通過高阻尼橡膠在水平方向的大位移剪切變形及滯回耗能吸收地震能量，隔離橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的地震運(yùn)動(dòng)，延長結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震作用力，從而實(shí)現(xiàn)減隔震功能。

高阻尼橡膠支座水平變位能力強(qiáng)，可有效吸收地震能量；結(jié)構(gòu)復(fù)位能力強(qiáng)，基本不發(fā)生殘余位移；材料阻尼效果好，具有良好的耗能能力；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能靈活多樣，適用范圍廣；改善受力，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，降低工程總造價(jià)；安裝及檢修更換方便，運(yùn)營維護(hù)成本低

(二)阻尼器消能減震設(shè)計(jì)

采用阻尼器消能減震設(shè)計(jì)主要是在橋梁結(jié)構(gòu)的梁與墩之間安裝阻尼系統(tǒng)，消耗掉在地震中由于橋梁結(jié)構(gòu)的震動(dòng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加的部分能量來達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。阻尼器的基本原理是橋梁結(jié)構(gòu)在地震力的作用下，與結(jié)構(gòu)共同工作的粘滯流體阻尼器的活塞桿受力，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞梁板的高粘性阻尼介質(zhì)產(chǎn)生力差，使阻尼介質(zhì)通過活塞上的阻尼孔，從而產(chǎn)生阻尼力，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量通過阻尼器耗散掉，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的

(三) 鉛芯橡膠支座

鉛芯隔震橡膠支座由鉛芯棒、橡膠層、鋼板等迭層粘結(jié)而成。鉛芯棒增大支座的阻尼，吸收能量，普通板式橡膠支座阻尼系數(shù)在5%以下，而鉛芯隔震橡膠支座阻尼系數(shù)一般在15%以上；鋼板提高支座豎向鋼度，使之能有效地支承橋梁上部結(jié)構(gòu)；橡膠層賦予支座高彈性變形及復(fù)位和承載的功能。安裝有鉛芯隔震橡膠支座可在地震中延緩橋梁結(jié)構(gòu)周期，大幅減小橋梁上部結(jié)構(gòu)加速度，使橋梁受力情況大為改善，因而具有較好的隔震效果。

四、減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）擺式滑動(dòng)摩擦支座的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)中在把如何應(yīng)用擺式滑動(dòng)摩擦支座來提高抗震性能充分考慮進(jìn)去。擺式滑動(dòng)摩擦支座是把滑動(dòng)摩擦支座和鐘擺結(jié)合，從而構(gòu)成減隔震裝置，由于擺式滑動(dòng)摩擦支座滑動(dòng)面是一個(gè)曲面，通過摩擦盡量消耗地震能量，為橋梁結(jié)構(gòu)自重提供自復(fù)位能量，從而利用鐘擺機(jī)理延長振動(dòng)周期。由于地震大小及球面曲率半徑影響擺式滑動(dòng)摩擦支座的尺寸，因此擺式滑動(dòng)摩擦支座平面尺寸相比較是比較大的。

（二）鉛芯橡膠支座的運(yùn)用

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)中如何應(yīng)用鉛芯橡膠支座來提高震安全性能也要考慮在內(nèi)。鉛芯橡膠隔震支座是在分層橡膠支座中加入鉛芯，構(gòu)成的減隔震裝置。由于鉛芯具有力學(xué)性能，能和分層橡膠支座結(jié)合，因此，鉛芯是非常適合用作減隔震的材料。此外，鉛芯橡膠支座剪應(yīng)力比較低，但初始剪切剛度會(huì)偏高，彈塑性很強(qiáng)，且塑性循環(huán)具有耐疲勞。正由于鉛芯橡膠支座有屈服強(qiáng)度和剛度性能，能很好滿足隔震系統(tǒng)需求，因此鉛芯橡膠支座是橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中比較廣泛應(yīng)用隔震裝置。

五、結(jié)束語

在橋梁減隔震設(shè)計(jì)和實(shí)施中，對于準(zhǔn)備工作和原料質(zhì)量把關(guān)是及其重要。在當(dāng)今社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，橋梁減隔震技術(shù)日益創(chuàng)新，不斷更新設(shè)備，采取新技術(shù)成了橋梁工程中重要問題。此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對橋梁安全監(jiān)控和檢測，及時(shí)對不合適地方修改和補(bǔ)充，經(jīng)常對施工的路線和方案進(jìn)行確認(rèn)改進(jìn)，能夠更好加強(qiáng)橋梁減隔震對橋梁安全維護(hù)作用。

[1]商耀兆，陳興沖.新型減隔震支座的研究田.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,25(6).

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