陳偉

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 橋梁隧道隔震設(shè)計的重要性

隔震設(shè)計方法在橋梁隧道設(shè)計中的應(yīng)用，能夠減少震害產(chǎn)生的破壞力，有效緩解各個支座結(jié)構(gòu)受害狀況，保護重要基礎(chǔ)部位；調(diào)節(jié)橫向剛度，改善隧道結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)平衡，降低地震力；提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低工程項目建設(shè)投資的同時，提高橋梁隧道工程項目的安全性。將隔震支座應(yīng)用于橋梁隧道設(shè)計中，能夠減小溫度或其他因素影響造成的形變，減小伸縮縫尺寸[1]。在橋梁隧道工程遇到較大的地震災(zāi)害時，使用隔震技術(shù)，能夠保障隔震設(shè)計效果，提升橋梁隧道結(jié)構(gòu)的可靠性，從而降低維修成本、縮短維修時間。

2 橋梁隧道工程震害性問題分析

在建設(shè)橋梁隧道工程過程中，震害性問題將會加劇橋梁隧道工程建設(shè)難度，嚴(yán)重影響工作開展，影響橋梁隧道工程整體結(jié)構(gòu)性。輕則出現(xiàn)位移，重則造成橋梁坍塌。以下是對橋梁隧道建設(shè)中常見震害性問題的分析。

2.1 上部橋梁結(jié)構(gòu)震害

常見橋梁隧道工程為上下結(jié)構(gòu)，通過對接形成統(tǒng)一整體。上部橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重震害性問題時，會對整個橋梁工程帶來極為不利的影響，甚至引發(fā)碰撞性震害、位移震害等問題，嚴(yán)重者還會提高橋面出現(xiàn)裂縫的概率，導(dǎo)致整體橋梁混凝土結(jié)構(gòu)脫落[2]。

2.2 橋梁支座震害

橋梁支座作為整個橋梁工程的總支撐，出現(xiàn)震害問題將有可能導(dǎo)致支座和橋面脫離、支座發(fā)生位移和錨固螺栓被拔出等病害。

2.3 橋梁基礎(chǔ)以及下部結(jié)構(gòu)震害

橋梁隧道工程的整體安全性受到橋梁根基與下部結(jié)構(gòu)的影響，遇到地震災(zāi)害時，橋梁整體結(jié)構(gòu)中的橋梁墩、橋臺等部位都會受到損傷，嚴(yán)重時影響整個橋梁建筑的功能性。

3 橋梁隧道工程隔震設(shè)計的基本原則

其一，橋梁隧道項目在采用隔震設(shè)計方案時，其上部結(jié)構(gòu)受到地震作用并不會給整體造成巨大的影響，但會出現(xiàn)一定的偏移問題，所以在地震發(fā)生后需要加強隔震裝置的應(yīng)用，以滿足其使用的需要。

其二，隔震設(shè)計方案確定時，應(yīng)與常規(guī)使用條件下的設(shè)計存在區(qū)別，保證滿足應(yīng)用要求。

其三，橋梁隧道工程地基需達到堅實度的要求，如果地基存在松軟的問題，就會導(dǎo)致整體性能的下降。

其四，如果條件允許，可以在橋梁隧道中應(yīng)用簡單的結(jié)構(gòu)形式，保證其力學(xué)性能達到使用的需要。

以下情況不適合使用隔震設(shè)計，主要原因如下：發(fā)生地震時，橋梁結(jié)構(gòu)能夠生成一定的阻尼以稀釋地震能量，保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的穩(wěn)定性；隔震設(shè)計理念在橋梁隧道工程中的應(yīng)用會發(fā)生耦合性震動反應(yīng)，此時就不能再應(yīng)用隔震方案；橋梁下部結(jié)構(gòu)的剛性相對較差，隨著橋梁工程使用年限的增加，不能使用隔震設(shè)計方案。支座結(jié)構(gòu)會給橋梁施加負反力，不能使用隔震設(shè)計方案。在橋梁隧道項目中應(yīng)用隔震設(shè)計，上部結(jié)構(gòu)受到的地震作用并不會影響整體結(jié)構(gòu)，但是會出現(xiàn)偏移問題，所以，在地震發(fā)生后應(yīng)增加隔震裝置數(shù)量，保證滿足實際使用需求[3]。

4 實例分析減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

該橋梁工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁形式，在結(jié)構(gòu)減震設(shè)計中，根據(jù)優(yōu)化原則選擇采用盆式橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震效果。

4.1 減隔震技術(shù)設(shè)計方法

首先，落實施工現(xiàn)場地質(zhì)勘查工作，了解施工現(xiàn)場的水文情況、地質(zhì)條件及地震發(fā)生特點等，在此基礎(chǔ)之上優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)，保證橋梁隔震效果滿足實際需求。其次，結(jié)合已經(jīng)確定的抗震方案，根據(jù)所設(shè)定的隔震周期進行橋梁結(jié)構(gòu)性能分析和計算，得出橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為隔震方案的制定提供可靠依據(jù)。最后，為確保隔震效果，應(yīng)重點關(guān)注抗震設(shè)計細節(jié)，避免出現(xiàn)橋梁屈服比隔震屈服早的現(xiàn)象。

4.2 減隔震系統(tǒng)的設(shè)計

該工程為B 橋梁形式，隔振系統(tǒng)設(shè)計工作的開展應(yīng)遵循以下原則。

第一，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要滿足在中震條件下其各環(huán)節(jié)各部分能夠保持彈性狀態(tài)。

第二，橋梁結(jié)構(gòu)在遇到大地震發(fā)生時，其結(jié)構(gòu)中的潛在塑性區(qū)域保持塑性條件，確保橋梁結(jié)構(gòu)在地震中保持穩(wěn)定。

第三，依據(jù)工程實際情況選用減隔震技術(shù)，該工程通過比對板式橡膠座、盆式橡膠支座以及鉛芯橡膠支座三種方法，選擇最佳減震方案[4]。

4.3 不同減隔震方案固有周期計算分析

不同減震技術(shù)在工程項目的應(yīng)用效果，最終選擇哪種減震技術(shù)，需要通過計算預(yù)選方案的固有周期來確定，該工程使用迭代法進行計算，通過表1數(shù)據(jù)可知，原有盆式橡膠座的減震方法在抗震過程中能夠一定程度地延長結(jié)構(gòu)周期，但抗震效果不及另外兩種，且減震效果也未達到應(yīng)用要求。

表1 不同類型減震技術(shù)的固有周期技術(shù)數(shù)據(jù)

4.4 中震反應(yīng)譜分析

為了解不同減震方法的能耗情況，在橋梁中震環(huán)境下，分析潛在塑性區(qū)的彈性條件，該工程采用的是鉛芯橡膠支座和板式橡膠支座方法，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

表2 中震情況下墩底彎矩響應(yīng)數(shù)據(jù)分析

4.5 大震彈塑性時程分析

在大震環(huán)境中根據(jù)震中橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移對其塑性進行分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。分析數(shù)據(jù)可見，鉛芯橡膠支座能夠更好地降低形變，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。發(fā)生地震后，各項指標(biāo)均在允許限值范圍內(nèi)，無需對隔震裝置和橋墩進行維修。

表3 大震結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比數(shù)據(jù)分析

4.6 其他減隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證橋梁結(jié)構(gòu)橫向變位適應(yīng)能力、避免在震中發(fā)生嚴(yán)重的變形、預(yù)防發(fā)生落橋現(xiàn)象，需設(shè)置梳齒型伸縮縫，在此基礎(chǔ)上，使用拉索式連梁結(jié)構(gòu)確保項目減隔震效果達標(biāo)。

5 橋梁項目中減隔震設(shè)計重點關(guān)注內(nèi)容

5.1 加強結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

目前，我國大部分橋梁均采用混凝土結(jié)構(gòu)，在排除自然環(huán)境、地理地質(zhì)等因素的影響后，最重要影響因素是固定荷載，固定荷載的大小影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，為避免固定荷載對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，在設(shè)計環(huán)節(jié)就需要從多方面入手進行加固。在橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計中，通常使用擴寬橋梁截面、加鋪鋼材等方式來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固的作用。隨著工程建設(shè)新工藝新技術(shù)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在不斷完善。例如使用纖維增強材料，可以保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高橋梁綜合性能[5]。

5.2 明確節(jié)點抗震設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點在橋梁工程中發(fā)揮著承接和傳遞荷載的作用，作為重要的傳力部件，能夠?qū)蚨蘸蜆蛄航Y(jié)構(gòu)有效連接起來，從而達到提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。節(jié)點對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響主要取決于節(jié)點的強度和剛性，主要是因為節(jié)點位置的箍筋剛性下降時，將影響整個結(jié)構(gòu)的性能。因此，必須加強節(jié)點位置箍筋剛性和強度設(shè)計，以便能夠進一步提升整個橋梁結(jié)構(gòu)的性能。

5.3 加強細部結(jié)構(gòu)設(shè)計

在橋梁隧道工程中，細部結(jié)構(gòu)主要是指伸縮縫、防落梁裝置以及限位裝置等結(jié)構(gòu)，是橋梁隧道工程中的附屬結(jié)構(gòu)。大量實踐研究表明，細部結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果直接決定著整個橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能，與橋梁隧道工程的使用壽命息息相關(guān)。對此，施工單位需全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的隔震效果和動力響應(yīng)情況。在設(shè)計橋梁橋面與支架間的連接縫時，設(shè)計人員需要把控好連接縫的尺寸，經(jīng)過精密計算選擇最合適的連接方式，盡量縮小縫隙，避免影響橋梁工程的整體隔震性能。同時，必須做好橋梁隔震中的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，保證橋梁結(jié)構(gòu)之間良好的連續(xù)性，有效提升橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗震性能[6]。

5.4 科學(xué)合理選用減隔震裝置

應(yīng)用科學(xué)合理的減隔震設(shè)計方案的能夠提升橋梁工程的減隔震效果。鉛芯橡膠隔震支座是在分層橡膠支座中加入一些鉛芯，形成一種減隔震裝置。因為鉛芯具有良好的力學(xué)性能，可以有效結(jié)合分層橡膠支座，所以鉛芯也成為適合的減震材料。鉛芯橡膠支座的屈服剪應(yīng)力相對偏低，但是初始剪剛度相對偏高，具有較強的彈塑性，其塑性循環(huán)還具有較強的耐疲勞性能。所以鉛芯橡膠支座是橋梁結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛的隔震裝置；擺式滑動摩擦支座的應(yīng)用，要求設(shè)計人員在設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)充分考慮如何應(yīng)用擺式滑動摩擦支座提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。擺式滑動摩擦支座主要是結(jié)合滑動摩擦支座和鐘擺概念，形成的一種減隔震裝置。擺式滑動摩擦支座的滑動面是曲面，通過曲面滑動摩擦盡可能地消耗地震能量，為橋梁結(jié)構(gòu)自重提供必要的自復(fù)位能量，延長橋梁結(jié)構(gòu)的振動周期。

6 結(jié)語

綜上所述，抗震性能是影響橋梁隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性因素，為確保橋梁隧道工程的整體建設(shè)質(zhì)量滿足正常使用需求，必須從設(shè)計環(huán)節(jié)入手，科學(xué)合理地應(yīng)用隔震技術(shù)，將隔震設(shè)計理念充分融入多個層面，通過加強結(jié)構(gòu)加固設(shè)計、節(jié)點抗震設(shè)計、性能抗震設(shè)計以及優(yōu)選減震裝置等各項措施保障隔振設(shè)計效果，為建造高質(zhì)量的橋梁隧道工程項目提供可靠的保證。