陳　蛟（貴陽(yáng)建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州　遵義　563000）

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淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)方法與減隔震技術(shù)

陳蛟（貴陽(yáng)建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州遵義563000）

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，橋梁項(xiàng)目建設(shè)數(shù)量日益增多，為了確保橋梁工程項(xiàng)目安全性，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)施工時(shí)，必須加入合理的抗壓設(shè)計(jì)，以確保橋梁工程順利完工。此背景下，本文首先分析了橋梁震害的直接起因，其次闡述了橋梁抗震設(shè)計(jì)方法，最后詳細(xì)研究了橋梁抗震設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)途徑，以供參考。

橋梁震害；抗震設(shè)計(jì)；減隔震技術(shù)

1　引言

橋梁工程是城市發(fā)展過(guò)程中關(guān)鍵的交通樞紐，其在抗震減災(zāi)、危機(jī)處理過(guò)程中能夠發(fā)揮十分重要的作用。通常情況下，在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，如果橋梁工程遭受破壞，將會(huì)對(duì)地震災(zāi)區(qū)的交通生命線造成嚴(yán)重的阻礙，從而使得地震危害進(jìn)一步擴(kuò)大，大大增加了抗震減災(zāi)與災(zāi)后重建的難度，此情況下，必須提升橋梁抗震性，以強(qiáng)化區(qū)域安全。

2　橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

2.1基于強(qiáng)度基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法

在傳統(tǒng)橋梁抗震設(shè)計(jì)中，大多采用基于強(qiáng)度基礎(chǔ)上的抗震設(shè)計(jì)方式，即為將地力作為靜荷載進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)分析，并且通過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度或是剛度來(lái)判斷橋梁結(jié)構(gòu)的有效性。就目前情況來(lái)看，我國(guó)大多數(shù)設(shè)計(jì)單位依舊在使用此種設(shè)計(jì)方式。

2.2基于延性基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法

通過(guò)分析橋梁結(jié)構(gòu)自身特征，少數(shù)設(shè)計(jì)人員提出了基于延性基礎(chǔ)上的抗震設(shè)計(jì)方法，其能夠通過(guò)地震力來(lái)修正相關(guān)系數(shù)、合理調(diào)整彈性、分析地震內(nèi)力與反映譜加速度，以滿足不同結(jié)構(gòu)的延性需求。以某國(guó)家AASHTO橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范為例，該項(xiàng)規(guī)范主要針對(duì)橋墩、基礎(chǔ)、支座等構(gòu)件，采用不同的R（地震反應(yīng)修正系數(shù)），對(duì)彈性地震力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，以獲得地震力設(shè)計(jì)值。

2.3基于性能基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)

所謂基于性能基礎(chǔ)上的抗震設(shè)計(jì)，主要是指在抗震結(jié)構(gòu)受到不同等級(jí)地震作用下能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的設(shè)計(jì)方式。通過(guò)采用此種抗震設(shè)計(jì)方式，能夠在一定地震強(qiáng)度范圍內(nèi)，將人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失控制在合理范圍內(nèi)，以此來(lái)使得橋梁工程能夠在地震之后繼續(xù)使用。

通過(guò)詳細(xì)的分析可以發(fā)現(xiàn)，此類設(shè)計(jì)方式能夠?qū)⒖拐鹪O(shè)計(jì)從宏觀定性轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w量化，將抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)從確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足不同地震水下性能目標(biāo)。通過(guò)多方位、多層次抗震設(shè)計(jì)，確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全，滿足建筑商所要求的安全性能目標(biāo)。

3　橋梁抗震設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)途徑

3.1減隔震技術(shù)原理

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的減隔震技術(shù)是在減隔震裝置前提下形成的，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，通過(guò)減隔震裝置的使用，能夠有效分散地震作用，特別是能夠分離支座運(yùn)動(dòng)與地面運(yùn)動(dòng)，以減少地震作用，并且還能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生一種良好的緩沖效果。

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)減隔震技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效避免地震作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體性造成破壞，特別是當(dāng)?shù)卣鸺?jí)別過(guò)于高時(shí)，可有效避免橋梁結(jié)構(gòu)塌陷問(wèn)題的發(fā)生。因此，橋梁結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)是減隔震技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中必須要落實(shí)的事項(xiàng)。通常情況下，可通過(guò)混合控制技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)、被動(dòng)控制技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的控制，減隔震技術(shù)是在這三種橋梁結(jié)構(gòu)控制基礎(chǔ)上形成的。通過(guò)被動(dòng)控制理論的使用，能夠合理安排橋梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而最大限度的減少橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

3.2減隔震技術(shù)分類

通常情況下，減隔震技術(shù)可分為以下幾種：①基礎(chǔ)隔震，即為在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)件進(jìn)行隔震裝置的布設(shè)，一般包括能量吸收、絕緣與周期延長(zhǎng)等方式。其中，能量吸收主要是指采用減震裝置來(lái)吸收能量，以規(guī)避地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)較大變形問(wèn)題的出現(xiàn)。對(duì)于周期延長(zhǎng)方式，則是指通過(guò)設(shè)置某種裝置來(lái)加長(zhǎng)整體結(jié)構(gòu)體系周長(zhǎng)的方式。②地基隔震方式，主要包括絕緣、屏蔽兩種方法，其中，屏蔽主要包括通過(guò)將屏蔽板埋設(shè)在建筑物四周或是在周圍挖設(shè)深溝等方式。對(duì)于絕緣，則為采用高剛性基礎(chǔ)，軟弱基礎(chǔ)與利用地基逸散衰減方法來(lái)降低地基自身輸入波。

3.3減隔震技術(shù)

3.3.1減隔震技術(shù)

減隔震技術(shù)需依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度，但相比于傳統(tǒng)技術(shù)，其能夠更好的控制壓力的損害。同時(shí)，通過(guò)減隔震技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效延長(zhǎng)橋梁工程振動(dòng)周期，消耗、分散由地震內(nèi)部傳播的能量，從而最大限度的降低其水平力傳遞壓力，最終實(shí)現(xiàn)有效降低地震災(zāi)害對(duì)橋梁工程造成的損害。

但在減少損害的過(guò)程中，橋梁內(nèi)部構(gòu)件也會(huì)由于地震壓力而出現(xiàn)位移，雖然不會(huì)對(duì)橋梁自身造成巨大的損害，但存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，在對(duì)減隔震裝置安裝操作進(jìn)行控制時(shí)，需進(jìn)行一定的計(jì)算，確保構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)偏離安全位置的情況。近年來(lái)，隨著科技的迅速發(fā)展，新型減隔震技術(shù)獲得了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，通過(guò)大量研究與實(shí)踐結(jié)果可知，減隔震技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效防治、抵御地震災(zāi)害帶來(lái)的損害，從而為人們的生活提供較大的便利。

3.3.2減隔震技術(shù)的適用條件

要想充分發(fā)揮減隔震技術(shù)的效果，需要具備一定的保證條件，例如在場(chǎng)地較軟或是在延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)周期之后，極容易發(fā)生共振問(wèn)題，此時(shí)不宜采用隔震技術(shù)。針對(duì)此種情況，在應(yīng)用隔震技術(shù)之前，需對(duì)橋梁工程項(xiàng)目進(jìn)行合理的判斷。對(duì)于能夠采用隔震技術(shù)的條件，主要涉及地震波的角度、結(jié)構(gòu)的角度、場(chǎng)地的角度等。

3.4減隔震裝置

3.4.1分層橡膠支座

分層橡膠支座又被稱為板式橡膠支座（圖1），其結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板、薄橡膠片相互交替結(jié)合而構(gòu)成的，大多為圓形或矩形構(gòu)成的支座形狀。在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要對(duì)阻尼作用與水平剛度進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

一般情況下，橡膠支座主要通過(guò)消耗變形過(guò)程中的能量為支座提供阻尼，橡膠層變形的速度決定了阻尼的大小。通過(guò)相關(guān)研究可知，采用天然橡膠制作的支座阻尼約為5～10%，分層橡膠提供的阻尼通常較小，針對(duì)此，在進(jìn)行減隔震橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，常采用綜合使用分層橡膠支座與阻尼器的方式進(jìn)行。

圖1　分層橡膠支座隔震示意圖

3.4.2鉛芯橡膠支座

將純度較高的鉆芯垂直壓入板式橡膠支座的中心或中部（圖2），可有效改善橡膠支座阻尼性能，這種支座就是鉛芯橡膠支座。鉛芯具有屈服剪力低、力學(xué)特性良好、初始剪切剛度高的特征，在使用過(guò)程中，能夠較好的提高靜力荷載下的剛度和地震下的耗能能力，所以，其可滿足橋梁工程減隔震技術(shù)要求。此外，在水平力較低的情況下，初始剛度較高，支座變形的幅度較小，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，在地震力作用下，鉛芯出現(xiàn)較小的變形情況，此時(shí)可適當(dāng)降低剛度，就能夠?qū)崿F(xiàn)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用周期的目的，并且還可消耗一定的地震能量。

圖2　鉛芯橡膠支座隔震原理圖

3.4.3滑動(dòng)摩擦型減隔震支座

滑動(dòng)摩擦型支座又稱為聚四氟乙烯滑板支座，此類支座主要利用聚四氟乙烯材料與不銹鋼之間較低的摩擦系數(shù)制作而成的。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，在地震力的作用下，上部支座將在摩擦面上經(jīng)滑動(dòng)摩擦型支座允許發(fā)生滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，在地震力從上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到下部結(jié)構(gòu)時(shí)，滑動(dòng)摩擦型支座將地震力限制為支座的最大摩擦力，從而大幅消耗地震能量。此類支座缺陷在于一旦發(fā)生移動(dòng)，沒(méi)有自我復(fù)位能力，所以將滑動(dòng)摩擦型支座用作隔震支座時(shí)，無(wú)法預(yù)測(cè)支座的可靠性。在實(shí)際使用過(guò)程中，通常將其與阻尼器與橡膠支座等組合使用。

3.4.4鋼阻尼器

鋼阻尼器耗能原理在于利用鋼材自身的可塑性，其具備制作簡(jiǎn)便、費(fèi)用較少、耐用、耗能能力較大的優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行鋼阻尼器的選用時(shí)，可依據(jù)放置位置、空間、位移與連接結(jié)構(gòu)件的差異，選用適宜類型的阻尼器，以確保其滿足項(xiàng)目需求。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行橋梁抗震與減隔震設(shè)計(jì)時(shí)，需充分做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，并且還要嚴(yán)格的檢驗(yàn)原材料質(zhì)量。同時(shí)，還要強(qiáng)化對(duì)橋梁工程項(xiàng)目安全性能的監(jiān)控與檢測(cè)，及時(shí)修補(bǔ)不適宜事項(xiàng)，合理改進(jìn)施工路線與方案，強(qiáng)化橋梁減隔震對(duì)橋梁安全的維護(hù)作用。

［1］趙宏偉.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)實(shí)用方法［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2015（05）：46～48.

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陳 蛟（1978-），男，漢族，貴州務(wù)川人，高級(jí)工程師，本科，主要從事道路橋梁設(shè)計(jì)方面工作。

U442.55

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2095-2066（2016）12-0206-02

2016-4-1