李勝華

（重慶市勘測(cè)院，重慶400000）

0 引言

我國(guó)是地震發(fā)生較頻繁的國(guó)家，在發(fā)生地震危害時(shí)，如果橋梁受到破壞被截?cái)?，便?huì)大大增加救災(zāi)的困難程度。以往，橋梁抗震設(shè)計(jì)是依靠對(duì)橋梁自身材料的強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)隔震、抗震效果，但由于地震往往難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，所以常規(guī)的抗震方法會(huì)因?yàn)槿狈φ{(diào)節(jié)能力而難以達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)安全的要求。

對(duì)此，有必要采取科學(xué)、可靠的減震技術(shù)、設(shè)備，來(lái)削減地震震動(dòng)對(duì)橋梁的作用力，從而最大程度地保持橋梁結(jié)構(gòu)的完整性。將減、隔震裝置用于橋梁建設(shè)中，能有效削弱地震傳遞到結(jié)構(gòu)中的能量與地震力，是非常必要的。

1 減、隔震技術(shù)概述

從字面來(lái)看，減、隔震技術(shù)能達(dá)到減震和隔震兩個(gè)設(shè)計(jì)目的。減、隔震技術(shù)是依靠改變建筑的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)阻隔地震能量，避免其進(jìn)一步的傳遞，該技術(shù)符合力學(xué)設(shè)計(jì)原理。其中，減震是依靠對(duì)各種裝置的合理設(shè)計(jì)、配置，來(lái)強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)，這樣一來(lái)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，橋梁便可憑借自身的結(jié)構(gòu)來(lái)吸收、緩解地震帶來(lái)的震動(dòng)力；隔震則是通過(guò)結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，在震動(dòng)時(shí)通過(guò)能量輸入來(lái)緩沖震動(dòng)，進(jìn)而縮減地震的作用力，確保橋梁結(jié)構(gòu)不會(huì)動(dòng)搖，保持穩(wěn)定。

減、隔震技術(shù)的技術(shù)原理在于：

其一，橋梁設(shè)計(jì)中使用柔性支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)置來(lái)延長(zhǎng)周期，并減少地震帶來(lái)的影響。

其二，延長(zhǎng)所需要使用的額外結(jié)構(gòu)的位移量，可通過(guò)增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力與阻尼值的方式實(shí)現(xiàn)。為此，需要在橋梁設(shè)計(jì)中合理選擇阻尼器式能量耗散基礎(chǔ)元件。

其三，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的荷載滿(mǎn)足要求，可在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)合理設(shè)置間隔部件，以有效支撐整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)[1]。

其四，抗震延性設(shè)計(jì)，指的是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況，在適宜的位置上放塑性鉸，并進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。延性設(shè)計(jì)是為了在地震時(shí)盡量減少對(duì)橋梁的震動(dòng)破壞，確保橋梁的完整性。如果遇到等級(jí)高的地震，延性設(shè)計(jì)還能防止結(jié)構(gòu)坍塌。當(dāng)然，最需注意的是，延性設(shè)計(jì)時(shí)需要重視橋梁自身的最大基地剪力差距，避免橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)性損害。

其五，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)控制具有一定的復(fù)雜性，可分為三類(lèi)：主動(dòng)控制、被動(dòng)控制以及混合控制技術(shù)。減、隔震屬于被動(dòng)控制技術(shù)，能優(yōu)化橋梁的整體結(jié)構(gòu)，如此在遭遇地震時(shí)，就能減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)。實(shí)踐表明，對(duì)減、隔震技術(shù)的控制，能強(qiáng)化橋梁的抗震性能。

2 減、隔震技術(shù)的類(lèi)別與優(yōu)勢(shì)

2.1 類(lèi)別

一是減、隔震設(shè)備可設(shè)計(jì)成黏滯阻尼器，該結(jié)構(gòu)的主要作用是直接吸收外力，從而降低外力對(duì)橋梁的傷害，提升抗震性能，達(dá)到安全性要求。

二是減、隔震設(shè)備也可以設(shè)計(jì)成擺式摩擦滑動(dòng)支座與鉛芯橡膠隔震支座這兩種形式。這兩種支座雖然存在根本區(qū)別，但共通之處是能夠有效保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不被外力破壞，增加結(jié)構(gòu)的使用周期。如果聯(lián)合使用摩擦滑動(dòng)支座和鉛芯橡膠隔震支座，則能夠有效吸收外力能量，使保護(hù)效果變得更強(qiáng)，可以大大提高橋梁使用的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 優(yōu)勢(shì)

將減、隔震技術(shù)應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)中，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，使用了阻尼器、支座等擁有抗震效果的結(jié)構(gòu)部件后，不但能實(shí)現(xiàn)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)荷載的均勻分布，還能提高橋梁整體的柔度和阻尼系數(shù)，從而有效保護(hù)橋梁的完整性。

第二，減、隔震技術(shù)的應(yīng)用，能強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)的橫向剛度，讓橋梁擁有較高的橫向阻尼性能，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)過(guò)度扭轉(zhuǎn)的情況，同時(shí)也能減小地震發(fā)生時(shí)橋面的橫向荷載參數(shù)。

第三，和傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比，減、隔震技術(shù)的性能更好，工程成本投入更少[2]。

第四，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)容易受到諸多外部因素的影響，內(nèi)部構(gòu)件也會(huì)出現(xiàn)變化，無(wú)法有效控制和保護(hù)橋梁。而新型減、隔震技術(shù)有科學(xué)的力學(xué)模型計(jì)算作支撐，受力結(jié)構(gòu)更平衡、合理，因此能更好地保護(hù)橋梁。

第五，設(shè)計(jì)人員可參考橋梁結(jié)構(gòu)受力，在合適的位置安設(shè)塑性鉸，再通過(guò)對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的延性設(shè)計(jì)，從而在地震發(fā)生時(shí)最大程度地保護(hù)橋梁。

3 橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)用減、隔震技術(shù)的原則

為保證減、隔震技術(shù)運(yùn)用的有效性，使橋梁設(shè)計(jì)滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性、安全性、抗震性、隔震性的要求，需要明確相關(guān)原則。具體如下：

其一，提前考察原則。減、隔震技術(shù)的運(yùn)用，需要從實(shí)際出發(fā)，制定科學(xué)的橋梁設(shè)計(jì)方案。為此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)方案前，需要先進(jìn)行實(shí)地考察和研究，充分把握現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況，如橋梁施工地的土質(zhì)、地基等。在全面了解這些可能影響橋梁設(shè)計(jì)的情況后，結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算分析，才能進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，以此確保橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用減、隔震技術(shù)后，其抗震性能更可靠。

其二，抗震設(shè)計(jì)原則。減、隔震技術(shù)應(yīng)用的目的，就是減小地震對(duì)橋梁的破壞。所以，在該技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，需確保其抗震性能的設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)，符合相關(guān)的抗震要求，進(jìn)而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

其三，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。為了充分提升橋梁的整體性設(shè)計(jì)效果，保證其延性滿(mǎn)足要求，在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)合理選擇塑性鉸等裝置，來(lái)確保橋梁的穩(wěn)定、安全。

其四，合理選擇設(shè)備原則。在進(jìn)行橋梁的減、隔震設(shè)計(jì)時(shí)，需要從實(shí)際出發(fā)，選擇契合要求的減、隔震設(shè)備，以此達(dá)到規(guī)定的減、隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)師要在充分考量地質(zhì)條件、橋梁結(jié)構(gòu)、抗震性能等方面的基礎(chǔ)上，選擇合適的減、隔震設(shè)備，以此避免因?yàn)檫x擇不適合的減、隔震設(shè)備而影響橋梁的安全、穩(wěn)定性。另外，對(duì)減、隔震設(shè)備的選擇還應(yīng)遵循操作簡(jiǎn)便、安全性高、質(zhì)量?jī)?yōu)良等原則，根據(jù)目前橋梁建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用，可以選擇黏滯阻尼器、擺式摩擦滑動(dòng)支座、鉛芯橡膠支座等設(shè)備。

4 減、隔震技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用

4.1 黏滯阻尼器

在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的時(shí)候，設(shè)計(jì)師都會(huì)考慮橋梁的抗震性能，他們常用的裝置就是阻尼器。以往，傳統(tǒng)的抗震方法是借助構(gòu)件的彈塑性變形來(lái)吸收地震能量。但隨著技術(shù)的發(fā)展，這一傳統(tǒng)方法已無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的抗震需求。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，阻尼器是一種能耗型設(shè)備，為關(guān)系活塞運(yùn)動(dòng)速度的裝置[3]。而黏滯阻尼器則是一種速度加耗能的裝置，其能借助液體的黏性提供阻尼，進(jìn)而消耗震動(dòng)能量。黏滯阻尼器的黏滯材料，是以阻尼為介質(zhì)的速度型被動(dòng)減震耗能裝置。該裝置適用于各種地震烈度區(qū)的橋梁建筑，安裝、維護(hù)和更換都方便簡(jiǎn)單。黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)分為缸筒、黏滯流體、活塞等，將黏滯流體灌注到缸筒中，活塞可基于缸筒進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)，在活塞上開(kāi)出小孔或在活塞和缸筒間隔出空隙。如果橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，活塞和缸筒就會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，黏滯流體便會(huì)通過(guò)小孔滲出，進(jìn)而生成阻尼力，通過(guò)黏滯消耗震動(dòng)能量，最終實(shí)現(xiàn)減震效果。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用黏滯阻尼器，設(shè)計(jì)師應(yīng)在橋梁邊墩中間位置安設(shè)該裝置，或者也可以將其放在加勁梁或輔助墩中部。另外，為全面提升結(jié)構(gòu)的減、隔震設(shè)計(jì)效果，保證減、隔震設(shè)備能發(fā)揮最優(yōu)作用，設(shè)計(jì)師需細(xì)致計(jì)算、設(shè)計(jì)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)性能滿(mǎn)足使用所需。

4.2 擺式摩擦滑動(dòng)支座

擺式摩擦滑動(dòng)支座，是美國(guó)Zayas 等人在1985年提出的概念，并由EPS 公司制作而成。剛開(kāi)始，該支座被用于房屋建筑中，后來(lái)逐漸被廣泛普及于橋梁、大型儲(chǔ)油罐等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。和別的支座相比，擺式摩擦滑動(dòng)支座有著更強(qiáng)的承載力，易復(fù)位，所以可以承受更大重量的橋梁。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，需要合理應(yīng)用擺式摩擦滑動(dòng)支座，提升橋梁的抗震性能。

擺式摩擦滑動(dòng)支座將鐘擺和滑動(dòng)支座相結(jié)合，通過(guò)干摩擦滑移發(fā)揮隔震效果。該支座的滑動(dòng)面為曲面，通過(guò)結(jié)構(gòu)自身的重量供給自我復(fù)位功能。擺式摩擦滑動(dòng)支座可依靠摩擦耗能的方式將地震傳遞的能量轉(zhuǎn)化為熱能，然后靠擺式結(jié)構(gòu)將能量轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，以此延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自震周期，達(dá)到阻尼效果。擺式結(jié)構(gòu)可完成自我位移復(fù)位，從而提高地震發(fā)生時(shí)的隔震性能，避免震后調(diào)整工序，而且因?yàn)槠潴w積相對(duì)較小，所以有著廣泛的應(yīng)用前景[4]。

另外，目前國(guó)內(nèi)的擺式摩擦滑動(dòng)支座大多由聚四氟乙烯和不銹鋼構(gòu)成，支座摩擦板以聚四氟乙烯材料為主，和不銹鋼材料之間產(chǎn)生的摩擦系數(shù)在0.06 左右。地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，在地震活動(dòng)的作用下，當(dāng)擺式摩擦滑動(dòng)支座在支撐梁體時(shí)所受的摩擦力未能大于慣性力時(shí)，梁體和支座間的曲面會(huì)發(fā)生滑移，從而達(dá)到延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)震動(dòng)周期的作用。

4.3 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座是一種常見(jiàn)的、用于減震及隔震的設(shè)備，其有著吸收耗散能量的特質(zhì)[5]。改變?cè)撝ё乃郊虞d方向，并不會(huì)影響其滯回特性，它對(duì)耗散震動(dòng)能量的吸收主要依靠支座高度和鉛芯面積。因此，可以通過(guò)對(duì)鉛芯直徑的調(diào)整和支座高度的自由選擇，配合橋梁的抗震需求。鉛芯橡膠支座的組成部分分為層狀橡膠、鋼板和鉛芯，層狀橡膠能支撐荷載，鉛芯則能吸收耗散能量。和一般的板式橡膠支座相比，其不同之處在于，鉛芯橡膠支座的上面和下面都粘著有厚度鋼板，并加裝了鉛芯。

鉛芯橡膠支座是整體型減、隔震支座中的一種，它的豎直方向能為橋梁結(jié)構(gòu)提供支持，水平方向則具有良好的柔性，能承受較大變位，進(jìn)而使橋梁結(jié)構(gòu)的震動(dòng)長(zhǎng)周期化。而且，該支座還能依靠黏滯阻尼對(duì)耗散震動(dòng)能量進(jìn)行吸收，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼，實(shí)現(xiàn)削減地震影響的減、隔震目的。在發(fā)生地震時(shí)，支座中的鉛芯會(huì)屈服，剛性降低，周期增加，從而最大程度地降低地震產(chǎn)生的外力[6]。在該狀態(tài)下，由于支座的鉛芯有較高的初始剛度，形變很小，穩(wěn)定性好，所以能吸收大部分地震能量，達(dá)到減、隔震的效果。

4.4 梁間連接器

梁間連接器這一減、隔震技術(shù)設(shè)備，能顯著提升橋梁的穩(wěn)定性，這一裝置具有阻擋震動(dòng)傳播的功用。梁間連接器主要用來(lái)解決落梁?jiǎn)栴}，它會(huì)在橋梁遭到破壞時(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。依照其實(shí)用性和連接難度，連接器的應(yīng)用主要分為兩種形式：

第一，安裝連接裝置于橋梁腹板位置，通過(guò)運(yùn)用連接鋼板連接兩端，并在兩側(cè)采取預(yù)留槽設(shè)計(jì)，在預(yù)留槽上安裝墊板和固定螺栓。該方法通過(guò)對(duì)預(yù)留槽的合理應(yīng)用，能有效限制位移。

第二，安裝連接器于橋梁兩翼位置。在實(shí)際連接時(shí)，因?yàn)橛卸喾N連接手段，所以設(shè)計(jì)和施工單位需要根據(jù)橋梁的現(xiàn)實(shí)情況和地區(qū)的地震規(guī)律，選擇合適的連接方案[7]。

4.5 高阻尼橡膠支座

高阻尼橡膠支座是由天然橡膠與各種配合劑相結(jié)合，從而顯著增強(qiáng)橡膠阻尼性能，增加滯后損失，減少儲(chǔ)存模量。然后，再將調(diào)配出來(lái)的、擁有良好阻尼性能的橡膠，制作成為類(lèi)似一般橡膠的疊層裝置[8]。高阻尼橡膠支座有著優(yōu)良的隔震性能，且適用范圍廣泛，性?xún)r(jià)比高，常被用于新型橋梁建設(shè)和房屋建筑中。因?yàn)楦咦枘嵯鹉z支座的制作工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品力學(xué)性能過(guò)關(guān)，所以在“5·12”大地震后得到了大面積的應(yīng)用和普及。

就該支座的設(shè)計(jì)原理來(lái)看，其一，在豎向承載方面，其主要依靠加勁鋼板提供可靠、穩(wěn)定的豎向承載力量，確保橋梁日常工作的可靠和安全。其二，在水平受力方面，該支座使用的天然橡膠強(qiáng)度大，和鋼板黏結(jié)得緊密、扎實(shí)，水平方向受到日常的震動(dòng)或地震的震動(dòng)沖擊時(shí)，也能確保橋梁不會(huì)由于內(nèi)部遭受破壞而致使功能受損。其三，在設(shè)計(jì)理論方面，該支座主要依靠特殊的阻尼配方來(lái)提高隔震性能，并消耗地震傳遞來(lái)的水平震動(dòng)能量。地震發(fā)生后，該支座會(huì)在豎向給橋梁提供支撐，在水平方向上則不會(huì)將能力全部傳輸給橋梁，而會(huì)在地震波重復(fù)活動(dòng)中，把震動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃肯母蓛?。如此，能大大削減橋梁遭受的地震力破壞，進(jìn)而保持橋梁結(jié)構(gòu)的完整、堅(jiān)固。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁在使用過(guò)程中如果遇到地震，其上、下部結(jié)構(gòu)都會(huì)受到影響，從而給群眾的人身安全和國(guó)家的財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)危害。對(duì)此，采取有效的減、隔震技術(shù)于橋梁設(shè)計(jì)中，非常必要。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)橋梁所處的地震帶和相關(guān)情況綜合分析后，科學(xué)選擇、設(shè)置黏滯阻尼器、擺式摩擦滑動(dòng)支座、鉛芯橡膠支座、梁間連接器等裝置，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高其減、隔震效果，更好地控制橋梁建設(shè)工程的質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁的使用年限。