朱小萍

（撫州贛東公路設(shè)計院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

抗震性能是反映橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要能力，為確保橋梁結(jié)構(gòu)能夠在既定使用年限內(nèi)安全性通行，需在橋梁規(guī)劃設(shè)計階段做好減隔震設(shè)計，在掌握橋梁減隔震設(shè)計原則及抗震原理基礎(chǔ)上，合理應(yīng)用各類減隔震技術(shù)手段，同時根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特征合理引入減隔震裝置，在減隔震技術(shù)與裝置的協(xié)同作用下，盡可能提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 橋梁減隔震設(shè)計原則及抗震原理

1.1 設(shè)計原則

地震等自然災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)性能提出了較高要求，為避免安全事故的發(fā)生，應(yīng)重視橋梁減隔震設(shè)計工作。減隔震橋梁設(shè)計期間應(yīng)注意以下原則：一是因地制宜原則。橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)當?shù)貙嶋H情況科學選址，降低外部環(huán)境因素對橋梁抗震性能的影響。結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，需將橋梁設(shè)施優(yōu)先設(shè)計在地質(zhì)堅硬的區(qū)域，保障橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性，削弱地震災(zāi)害對橋梁地基的干擾程度。此外，不可在軟弱土層上建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)，若無法規(guī)避則需做好軟弱土層處理。二是差異性原則?！巴劝踩取笔菢蛄簜鹘y(tǒng)減隔震設(shè)計理念，該理念要求橋梁各部位所有結(jié)構(gòu)均按照同等抗震性能標準進行設(shè)計，但在實際設(shè)計情況來看，該設(shè)計理念科學性不足，橋梁各部位結(jié)構(gòu)的受力存在差異，導(dǎo)致不同橋梁結(jié)構(gòu)的抗震需求不同，若按照“同等安全度”理念展開設(shè)計，難以保證抗震設(shè)計實效，因此，在橋梁減隔震設(shè)計過程中，應(yīng)以橋梁受力結(jié)構(gòu)及振動周期為依據(jù)，差異化展開減隔震設(shè)計，以此提升減隔震設(shè)計針對性，保障橋梁抗震設(shè)計效果。三是整體性原則。為確保所設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能，需確保橋梁各結(jié)構(gòu)均處于受力均衡狀態(tài)，并要求各結(jié)構(gòu)均與橋梁主體結(jié)構(gòu)保持良好聯(lián)通性，借助橋梁主體結(jié)構(gòu)支撐效果而保障其抗震性能。因此，在減隔震橋梁設(shè)計過程中，應(yīng)優(yōu)先選用硬質(zhì)材料建設(shè)橋梁主體，主體部分不可進行拼接裝配設(shè)計，以此避免引發(fā)共振現(xiàn)象，杜絕橋梁塌陷隱患[1]。

1.2 抗震原理

橋梁減隔震技術(shù)借助各類支座裝置消除橋梁內(nèi)部震動能量，削弱震動的效果，防治共振現(xiàn)象，以此提升橋梁抗震性能。因此，在橋梁減隔震設(shè)計過程中，要求設(shè)計人員根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特征合理選用減隔震技術(shù)，盡可能規(guī)避外部因素對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。橋梁減隔震技術(shù)在應(yīng)用期間，需依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量條件合理選用柔性裝置，借助裝置阻尼削弱地震波能量，防止地震波引發(fā)結(jié)構(gòu)共振而破壞橋梁結(jié)構(gòu)。結(jié)合以往橋梁減隔震設(shè)計經(jīng)驗，應(yīng)基于橋梁建設(shè)標準選用彈性優(yōu)異、可塑性良好的抗震構(gòu)件，并根據(jù)橋梁部位差異合理引入各類減隔震裝置，同時做好橋梁主體的維護工作，增強基礎(chǔ)穩(wěn)定性，降低墩柱延性，采取多元化措施最大限度地提升橋梁抗震性能。

2 橋梁減隔震設(shè)計方法

2.1 橋梁科學選址

結(jié)合上述橋梁減隔震設(shè)計原則可見，需以因地制宜為原則，立足當?shù)貙嶋H情況合理選擇橋梁地址，防止外部地質(zhì)條件影響橋梁抗震性能。通常情況下，需將減隔震橋梁設(shè)計在地質(zhì)堅硬區(qū)域，為橋梁結(jié)構(gòu)提供強有力的基礎(chǔ)，在該地質(zhì)區(qū)域條件下，使橋梁結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害事故發(fā)生時仍可保持良好狀態(tài)、不會塌陷。橋梁地基應(yīng)以基巖、碎石為主，以此保障橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性，若條件受限，需于軟弱土層區(qū)域建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)，需根據(jù)當?shù)貙嶋H情況加固地基，確保地基在一定震動條件下仍可維持原狀，在高度穩(wěn)定地基的支撐下，提升橋梁抗震設(shè)計效果。

2.2 明確環(huán)境因素

《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）于2020年正式實施，該規(guī)范條例中明確指出了環(huán)境因素是橋梁減隔震技術(shù)選擇與應(yīng)用的先決條件。這就要求橋梁減隔震設(shè)計之前，需做好施工現(xiàn)場勘探工作，綜合考量橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工區(qū)域范圍內(nèi)的自然地質(zhì)條件，只有基于當?shù)噩F(xiàn)狀展開橋梁設(shè)計，方可保障減隔震效果，提高橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，防止設(shè)計偏差問題的發(fā)生。橋梁減隔震設(shè)計應(yīng)滿足以下環(huán)境因素條件：一是剛性橋墩結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動周期相對較短；二是橋梁高度參數(shù)呈現(xiàn)出不規(guī)則特征，若橋墩結(jié)構(gòu)高度參數(shù)差異較大，需做好延伸性設(shè)計；三是橋梁施工范圍內(nèi)地面地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有明顯的運動特性，且在一定周期內(nèi)不會產(chǎn)生較大震動能量。若橋梁滿足上述條件則需開展減隔震設(shè)計。對不適用減隔震技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)進行總結(jié)，具體如下：一是橋梁場地在特定地震條件下存在失效可能；二是橋梁振動周期相對較長，下部結(jié)構(gòu)剛度較??；三是橋梁地處軟弱土層，若振動周期適當延長可引發(fā)共振現(xiàn)象，存在該現(xiàn)象則難以保障橋梁減隔震設(shè)計效果。若橋梁結(jié)構(gòu)存在以上三類情況，則需慎用減隔震技術(shù)。由此可見，減隔震橋梁在設(shè)計之初，需對橋梁所在區(qū)域的地質(zhì)自然環(huán)境因素進行調(diào)查并梳理，防止出現(xiàn)減隔震無效設(shè)計的情況[2]。

2.3 強化墩柱設(shè)計

墩柱結(jié)構(gòu)在橋梁設(shè)計與建設(shè)中扮演著重要角色，能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)起到支撐、減震、隔震效果，因此，在減隔震橋梁設(shè)計過程中，應(yīng)重視墩柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，做好抗震設(shè)計。第一，依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)所在區(qū)域地震等級數(shù)據(jù)信息，分析判斷當?shù)卣饎訌姸?，以此為依?jù)確定墩柱參數(shù)，確保墩柱結(jié)構(gòu)面對大部分震動情況時仍可保持優(yōu)異承載性能，通過優(yōu)化設(shè)計墩柱結(jié)構(gòu)保障橋梁整體抗震性能。第二，對橋梁墩柱配筋質(zhì)量加強管控，根據(jù)當?shù)貙嶋H情況確定橋梁抗震設(shè)計等級后合理選擇配筋材料參數(shù)，確保墩柱配筋強度可滿足橋梁結(jié)構(gòu)承載力，繼而促進墩柱配筋穩(wěn)定性的提升，有效增強橋梁抗震效果。

2.4 防范梁落現(xiàn)象

在橋梁減隔震設(shè)計過程中，應(yīng)注意規(guī)避梁落問題。地震自然災(zāi)害發(fā)生時伴隨著劇烈震動，并發(fā)出震動波能量，震動波將沿橋梁結(jié)構(gòu)逐漸傳播蔓延，最終引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)移位、塌陷問題，不僅影響著車輛通行效果，甚至引發(fā)安全事故，因此，必須加強對梁落問題的重視，采取一定減隔震設(shè)計措施加以規(guī)避。在實際橋梁設(shè)計過程中，主要通過強化橋梁結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量的形式進行優(yōu)化設(shè)計，增強橋梁震動彈性，使橋梁結(jié)構(gòu)可在特定范圍內(nèi)允許移位，防止梁落事故的發(fā)生。除此之外，若橋梁主體結(jié)構(gòu)與墩臺結(jié)構(gòu)之間存在較大縫隙，同樣可引發(fā)梁落問題，針對這一問題，應(yīng)在建隔震橋梁設(shè)計過程中不斷加固尚未連續(xù)的結(jié)構(gòu)部分，并對已連接的結(jié)構(gòu)位置進行強化，有效預(yù)防梁落事故的出現(xiàn)。

2.5 強化性能基礎(chǔ)

為最大限度地提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，增強減隔震橋梁設(shè)計實效，應(yīng)做好橋梁基礎(chǔ)性能強化設(shè)計，在設(shè)計期間整理當?shù)氐卣饠?shù)據(jù)信息，了解當?shù)氐卣鸪潭燃罢饎拥燃?，采用量化處理方式分析地震危害，以此為依?jù)確定橋梁減隔震防護范圍，以此針對性地提出橋梁減隔震設(shè)計方案。以抗震性能為核心設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，需確保減隔震設(shè)計要點與其他設(shè)計要素相互配合，在多結(jié)構(gòu)的共同作用下實現(xiàn)優(yōu)異的橋梁抗震性能。

2.6 強度延性設(shè)計

第一，強度性能設(shè)計。該設(shè)計方式在現(xiàn)階段減隔震橋梁設(shè)計過程中較為常用，通過強度性能設(shè)計增強橋梁抗震性能時，需組織靜荷載測試，檢測橋梁工程地基承載力情況，后依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)實際情況確定構(gòu)件抵抗性及強度要求，提升橋梁減隔震設(shè)計效果?；趶姸刃阅茉O(shè)計，橋梁結(jié)構(gòu)可有效保障其抗震性能，效果顯著，但結(jié)合實踐設(shè)計情況來看，若橋梁地處軟弱地質(zhì)區(qū)域，地基穩(wěn)定性不足，則強度設(shè)計方法無法表現(xiàn)出良好的橋梁減隔震效果，因此，該設(shè)計方式存在局限性，設(shè)計人員需基于當?shù)貙嶋H情況判斷是否可選用該設(shè)計辦法。

第二，材料延性設(shè)計?，F(xiàn)階段大多數(shù)橋梁工程項目來為混凝土鋼結(jié)構(gòu)，如鋼索結(jié)構(gòu)、支座結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等，混凝土及鋼金屬是橋梁施工建設(shè)中最常用的材料，為保障橋梁減隔震設(shè)計效果，增強橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，需做好橋梁施工材料的延性設(shè)計。材料延性設(shè)計期間需對地震力進行模擬，逐步分析測算各種材料的延伸性效果，綜合對比模擬試驗中各材料的表現(xiàn)情況，以此為依據(jù)展開抗震設(shè)計。材料延性設(shè)計在減隔震橋梁設(shè)計中屬于輔助性手段，極大提升了減隔震設(shè)計的全面性，可使減隔震設(shè)計良好融入橋梁結(jié)構(gòu)的各個方面[3]。

3 橋梁減隔震裝置及其性能分析

3.1 分層橡膠支座

現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)中常用的減隔震裝置多為支座結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料的不同將減隔震支座劃分為不同類型。分層橡膠支座由薄質(zhì)鋼板、橡膠片的交替布置而成，該支座結(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)橋梁實際情況確定支座平面形狀，其中矩形、圓形平面較為常用。在減隔震橋梁設(shè)計過程中，應(yīng)注意把控分層橡膠支座結(jié)構(gòu)的阻尼性能及水平剛度，當橋梁結(jié)構(gòu)遭受震動時，將會帶動橡膠支座板面區(qū)域發(fā)生位移，橡膠支座出現(xiàn)形變現(xiàn)象后，在阻尼作用下將會消耗地震所造成的地震波能量。若橋梁減隔震設(shè)計中應(yīng)用天然橡膠作為材料制作支座結(jié)構(gòu)，該天然橡膠支座所形成的阻尼效果處于5%～10%范圍內(nèi)。結(jié)合實踐應(yīng)用情況來看，分層橡膠支座所形成的減隔震效果相對較小，為進一步加強減隔震設(shè)計效果，可在應(yīng)用分層橡膠支座基礎(chǔ)上設(shè)計阻尼器，在兩者共同作用下最大限度地保障橋梁抗震性能。

3.2 鉛芯橡膠支座

相較分層橡膠支座，鉛芯橡膠支座于中心位置增設(shè)了鉛芯結(jié)構(gòu)，鉛芯純度較高，可有效提升減隔震支座裝置的阻尼性能，繼而大幅度提升橋梁減隔震設(shè)計效果。鉛芯結(jié)構(gòu)屈服剪力參數(shù)為10MPa，但鉛芯結(jié)構(gòu)的初始剪切剛度最高可達130MPa，力學性能優(yōu)異，此外，該減隔震支座裝置具備良好的彈塑性能力，可滿足橋梁抗震設(shè)計中的靜力荷載、順應(yīng)耗能要求。由此可見，鉛芯橡膠支座的減隔震性能優(yōu)異，可滿足橋梁抗震設(shè)計需求，該支座裝置憑借自身優(yōu)異性能，有效保障橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，削弱地震能量波帶來的連鎖反應(yīng)，使地震震動難以破壞橋梁結(jié)構(gòu)。鉛芯橡膠支座屬于典型的高阻尼支座，在橡膠與鉛芯結(jié)構(gòu)的雙重作用下，可形成高質(zhì)量減隔震效果，對橋梁結(jié)構(gòu)形成良好保護，防止橋梁結(jié)構(gòu)被破壞，但在減隔震橋梁設(shè)計中，鉛芯橡膠支座減隔震裝置的應(yīng)用頻率相對較低，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因為鉛芯結(jié)構(gòu)成本較高，因此，橋梁工程項目為有效控制成本造價而優(yōu)先選用其他減隔震裝置。

3.3 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器從本質(zhì)上來看為耗能裝置，該減隔震裝置依靠液體黏性形成阻尼效果，憑借其優(yōu)異阻尼性能消耗地震能量波，以此削弱地震自然災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞效果。黏滯阻尼器由缸筒、導(dǎo)桿、活塞構(gòu)成，地震發(fā)生時，缸筒內(nèi)活塞結(jié)構(gòu)隨之展開相對運動，黏滯流體在缸筒內(nèi)流動，形成阻尼，并在此過程中消耗地震能量，保護結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)橋梁減震。結(jié)合實踐來看，黏滯阻尼器多被設(shè)計在橋梁地基梁結(jié)構(gòu)上，可有效規(guī)避橋墩變形問題，繼而形成優(yōu)異抗震效果。

3.4 擺式摩擦支座

擺式摩擦支座同樣為橋梁抗震設(shè)計中常用的減隔震裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。擺式摩擦支座裝置以鐘擺原理為依據(jù)實現(xiàn)橋梁減隔震效果，支座球面呈鐘擺狀運動，憑借該方式延長了支座結(jié)構(gòu)的運動周期，由此形成優(yōu)異的隔震效果。擺式摩擦支座在運行滑動過程中有摩擦現(xiàn)象發(fā)生，憑借該摩擦效果起到減震作用，削弱橋梁結(jié)構(gòu)的震動效果。該減震裝置呈弧狀滑動，并進入單擺運動狀態(tài)，依靠單擺運動將水平向力充分傳輸，增大了橋梁自振周期。在該運動周期下，橋梁結(jié)構(gòu)振動周期得到了有效延長，使地震波沖擊力得到了良好緩沖，極大削弱了地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，保障了橋梁抗震性能。結(jié)合實踐應(yīng)用情況來看，該支座裝置無法規(guī)避地震所引發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)移位問題，而橋梁結(jié)構(gòu)磨損會損傷擺式摩擦支座平面，因此，為確保擺式摩擦支座能夠始終發(fā)揮出優(yōu)異的減隔震效果，需定期維護保養(yǎng)。

圖1 擺式摩擦支座

4 結(jié)語

綜上所述，為確保橋梁減隔震設(shè)計實效，應(yīng)在設(shè)計期間做好橋梁的選址工作，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特征合理選擇減隔震方法，在正式開展設(shè)計工作之前全面調(diào)查橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境，強化墩柱設(shè)計，注意防范梁落問題，同時做好強度設(shè)計、延性設(shè)計與基礎(chǔ)設(shè)計。此外，從分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、黏滯阻尼器、擺式摩擦支座等減隔震裝置中合理選擇，借助減隔震裝置結(jié)構(gòu)提升橋梁抗震設(shè)計。