公路桥梁设计中隔震设计的研究

时间：2024-04-24

李慧、覃佳

（聊城市公路勘测设计院，山东聊城252000）

0 引言

桥梁建设是公路建设中一个非常重要的组成部分，具有投资大、工期长、建筑质量要求高等特点，因此首先确保桥梁具有强大的抗震能力。桥梁隔震层的施工可以显著降低桥梁结构的反加速度，提高桥梁结构的阻尼，延长桥梁的使用寿命，对桥梁的稳定性和隔震性能有很大的影响，因此做好桥梁隔声墙的设计非常重要。

1 桥梁工程震害分析

桥梁顶层结构在地震作用下，会引起结构震害、碰撞震害、位移震害、桥梁倒塌、桥梁位移等。汶川大地震后，经调查，发现大桥有位移，最大位移达21cm。支座震害形式以位移、锚栓抽出、可移动支架脱落为主。汶川大地震中，部分桥梁发生了严重的破坏，如剪切变形、隆起等。综合地震影响分析和汶川桥梁震害研究情况，推测全线有177 个桥墩受到地震破坏，严重影响了桥梁的功能和安全。

2 桥梁设计中隔震设计的目的及原理

2.1 设计目的

在桥梁施工中，阻尼器的选择是非常重要的，可以改善桥梁的阻尼，并在地震中进一步改善分裂。支撑部件之间的地震荷载分布、桥梁主要部件的保护以及通过桥梁结构的通道，为了维持和保护桥梁的整体稳定性，在桥梁施工中增加了隔震施工，并通过调整桥梁的横向刚度来改善桥梁结构，减少地震对整个桥梁结构的损害。因此，在城市交通快速发展的今天，考虑桥梁的隔震性能对提高桥梁的施工质量起着积极的作用。

2.2 设计原理

在桥梁建设中，隔震作为一种新的发展形式，仍然是未来桥梁发展的重要趋势。隔震在桥梁建设中的作用体现在地震后减小桥梁的受力程度、保护桥梁结构、提高桥梁的抗震性能。从社会实践中的经验来看，由于结构的抗震特性，使其响应加速度比地表要低，从而可以减少损伤。在常规的结构设计中，对桥梁的整体强度、变形能力进行调节，对地震作用的影响并不显著。然而，在桥梁工程中，若能充分利用隔震结构的优势，就必须采用隔震设备，以保证各结构构件与水平地面之间存在某种程度的对应关系，从而避免发生地震后的主要结构损伤[1]。

3 公路桥梁进行隔震设计的优势和重要性

我国桥梁的设计目标是确保地震后的正常使用，不会造成破坏或轻微的损伤，整体结构仍具有一定的弹性；地震后虽有一些损伤，但只要修理好，一般能在短期内继续使用，并且整体不受影响；地震后受损严重，但整体不会受损，该结构在修补后能正常通过，整体结构为弹性变形。

为了使结构具有较好的抗震性能，应从结构设计的角度来考虑，因此研制出一种稳定、可靠的减振器及配套设备是十分必要的。通常，在具体的结构设计中，必须对弹性响应频谱进行优化，并进行科学的受力影响进行科学的控制。桥梁是城市危机管理体系的重要组成部分，是一种重要的公共资源，地震桥梁更是一种具有重大意义的公共危机管理体系，它可以降低社会经济的损失，并对国家的经济发展起到积极的作用。

3.1 公路桥梁进行隔震设计的重要性

在公路桥梁施工中，隔震结构是指在桥梁施工阶段安装减震器，使桥梁结构能够在水平方向上得到柔性支撑，并有效地延长结构在水平方向上的周期。此外，在发生地震时，还必须在公路桥梁施工中安装阻尼器，以有效提高其阻尼效果，尽量减少地震的影响。近年来，欧美国家在高速公路桥梁抗震研究方面取得了很大进展，我国还处于发展的初级阶段，研究还不够全面和系统，主要是在借鉴国外的研究成果和经验[2]。

3.2 公路桥梁进行隔震设计的优势

如果在桥梁设计中进行隔震设计，可以更好地分解和改善不同结构支撑柱之间的地震力分布，有效地保护桥梁主体，稳定桥梁顶部。公路桥梁设计中的隔震性能可以有效地调节桥梁的横向刚度，防止桥梁结构的平衡变化。在桥梁上部结构设计中，抗震设计可以有效避免地震后桥梁下部结构的问题，确保部分桥梁不易变形。在隔震设计中，施工成本不增加、抗震性能较好，工程质量可以得到较好的保证。防震支架是最常用的防震装置。在正常使用中，当结构变形或外界环境温度变化时，抗震支撑非常小，便于减少桥梁施工过程中的变形。因此，即使发生大地震，也可以更加方便地维护桥梁，修复桥梁的成本将非常低，还可以快速更换隔震设计和装置[3]。

4 隔震装置的类型与应用

传统抗震设计逐渐被淘汰，新的隔震技术根据应用类型和用途可分为以下几类：一是利用高成本设备抵消桥梁结构产生的地震能量，以减少不可避免的损坏，如粘滞阻尼器；二是在桥梁设计过程中尽可能延长结构的使用寿命，如果再次配置隔震装置来中和地震能量，抗震性能可以大大提高。

4.1 粘滞阻尼器

粘滞阻尼器的作用原理是基于流体的运动，特别是流体通过孔口产生粘滞阻力时产生的阻尼力和能量。粘滞阻尼器的应用相当于在桥梁结构中安装了“安全气囊”，该方法能够最大程度地吸收和抵消地震对结构的冲击能量，并使其在地震作用下的损伤程度大大降低。另外，采用JZN 系列低黏性系数硅油作为粘滞阻尼材料，其性能稳定、抗辐射性能良好，延长了其使用寿命。另外，粘滞减振效果最好的是粘滞反向减振，能更好地控制结构的变形[4]。

4.2 摆式滑动摩擦支座

4.2.1 应用

摆式滑动摩擦支座的基本功能原理是通过表面产生的滑动摩擦来中和地震能量，结构自振周期的延长按阻尼方向划分为球体，圆柱分为两类：第一类结构水平双向隔震，第二类结构水平单向隔震。

4.2.2 地震波对支座的影响

在大多数桥梁结构中，滑动摩擦支座可以达到预期的效果，但为了应用这种结构，必须考虑高频脉冲地震的影响。设计中应选用滑动摩擦支座结构。首先，应分析支架的长度尺寸；其次，在大多数施工现场，使用滑动摩擦支座可以达到预期的效果，但当地质条件相对较软时，抗震防震装置的效果较差；最后，桥梁结构设计采用板式橡胶支座是目前最好的结构形式，但实际效果不如滑动摩擦支座，这将对桥梁结构产生一定的负面影响[5]。

4.3 铅芯橡胶支座的应用

铅芯橡胶支座的主要作用原理是在叠层橡胶支座中插入一系列铅芯，形成紧凑型减震器，铅芯具有良好的力学性能，可与橡胶支座有效结合，这是目前国内外桥梁抗震设计中应用最广泛的一种。高纯铅具有较高的刚度与强度，有利于应对大型地震对桥梁结构的快速冲击，因此铅芯橡胶支座也是国内外良好的抗震技术。

5 桥梁设计中隔震设计应注意的问题分析

在修建隔震桥梁时，主管人员要保证桥梁的构造和隔震层的一致性。为了适应地震的水平作用，桥梁隔震时必须考虑隔震层的横向刚度，主要是因为长距离的户外作业，在自然环境中会遇到诸如暴风雨、地面剧烈振动等自然天气状况。在某些特定条件下，首先确保桥梁的隔震层足够大，才能使其避免对重要结构的重大损伤；其次，严格按施工规范，对桥梁的横向刚性中心位置和上部保温结构的重心进行检测，并安排专门的技术人员对防震设备进行纵向刚性及自动调整，以保证其工作正常。

6 公路桥梁设计中的隔震设计要点

6.1 隔震设计的原则

作为提高公路桥梁隔震性能的一项重要要求，公路桥梁的隔震设计应遵循以下原则：首先，确定桥梁是否能采用隔震设计，并根据地震发生时的能量吸收情况进行判断。当桥梁周期增长后系统出现故障时，如果桥梁的某些部分不需要使用隔震结构，则无需施工；其次，如果在桥梁设计中安装了隔震装置，则发生地震时，桥梁端部发生移动，地震后应修复相应的隔震装置。如果将隔震设计应用于公路桥梁，则必须确保桥梁的抗震性能有所加强；再次，采用整体隔震设计，应尽量选用结构简单、满足桥梁结构实际需要的隔震装置，并根据机械性能范围的要求使用；最后，应详细研究桥梁的土壤条件和桥梁附近的地质环境，以确保有足够坚实的地质条件。

6.2 隔震桥梁的能量设计方法

分析结果显示，结构强度、质量、刚度的分配对结构的整体地震能量影响较小，而结构的整体质量和结构的初始阶段则是由桥梁结构的整体质量决定的。在公路桥梁结构的抗震设计中，将多个自由度系统转化成一个终端感应系统，并按第一周期的原则，计算出了地震桥的整体地震输入能量。在初步设计时，不需要进行隔振设计，就可以利用桥梁的一阶模型来求取等效末端导引系统的质量。桥梁隔震的能量方法是一种迭代计算的方法，在进行抗震设计时，必须先对隔震等级及隔震指标进行确定。

需要注意的是，首先在抗震设计时，采用铅芯橡胶隔震支座作减震装置，使其在地震时能维持其弹性状态，或使其处于有限挠度状态，则宜将其最大延性比控制在2 以下；其次，在减震作用下，对桥墩起到了一定的保护作用，因此抗震设防级别必须达到3。

6.3 隔震装置的有效选取

在桥梁施工过程中，隔震和减震是需要考虑的因素之一，必须达到以下三个要求：第一，需要相当大的灵活性，以延长使用寿命和减少地震破坏；第二，通过阻尼和节能等手段削弱地震的破坏力，在一定范围内建立地表变形控制，抵抗地震的能量；第三，必须具有可靠的强度和流动性，以防止桥梁不能进入正常使用状态，并防止其屈服或危险振动。在桥梁减震设计过程中，应注重提高能耗和地震力的分散性，而不是只实施其生命周期。在选择阻尼装置时，必须在机械性能要求的范围内选择和使用简单的装置。

7 公路桥梁设计中隔震设计的具体对策

在公路桥梁建设过程中，要做好隔震设计工作。在一些项目中，许多技术都是从统一的角度应用的，因此道路和桥梁的建设没有达到最好的效果，反而造成了更多的危险因素和更严重的经济和社会损失。鉴于此，针对桥梁本身抗震结构的具体操作，须采取一系列技术方法和手段，以提高路桥的稳定性，减少不稳定因素的影响。

7.1 选择合适的执行方式和标准

从路桥工程的角度来看，不同桥型所选择的技术实施方法有很大差异。例如，相对于大型桥梁的抗震设计，中小型桥梁抗震标准的选择在成本方面得到了很好的控制，但抗震设计的性能严重下降。相反，如果按照大型桥梁的抗震设计标准建造中小桥梁，成本也将大大增加。因此，设计人员还应加强相关的施工内容。在抗震设计的施工和运营过程中，必须对周围的人和自然环境进行调查，以确保技术实施模式与路桥工程本身相一致[6]。

7.2 设计隔震装置

隔震结构的设计是隔震桥梁结构设计中的关键环节，也是隔震设计的重点。目前，在桥梁结构抗震设计中，采用最多的是弹性反应谱分析法，美国、日本等国家也是如此。两者的最大差异是计算公式的差异，具体来说，它是用来计算隔震器的等效减振和等效刚度的，当桥梁自身形状不规则或错综复杂时，一般采用校正的方式。

目前，弹性反应谱方法得到了广泛的应用。首先，该方法在工程建设中的计算比较简便；其次，该算法与现行的标准计算方法相近，容易为业界所接受，在计算时，必须考虑到隔震设备等效阻尼和等效刚度的计算值与地震时的最大变动幅度有很大的相关性；最后，对桥梁整体结构的响应也有一定的影响。当然，在地震的作用下，弹性反应谱方法也还有待进一步完善，在具体的计算工作中，无法直接达到这个目的。在地震后，有经验的工程人员可以对其进行初步的设计，并对其进行修改和分析，以确认其合理性[7]。

7.3 设计细部构造

经过长期的发展和探讨，研究人员认为，路桥工程施工中采用隔震设计后，可以达到预期的效果，但从现有项目来看，部分地区对路桥项目的细节关注度不高，虽然没有发生严重事故，但后续维护频率高，成本和经济成本高，不利于路桥的长期维护。在这种情况下，地方路桥项目应注重细节设计，实现更好的发展，减少缺陷，实现路桥的整体优化。桥梁辅助设计主要有限位装置、伸缩缝、防坠落装置等。桥梁的动态反应与抗震性能的综合影响对其结构的影响很大。此外，在计算地震响应强度时，由于辅助结构的计算较为烦琐，有些设计者不愿进行计算与设计。在道路、桥梁、抗震建筑等工程中，应对细节进行细致的设计，以保证其连续性。因此，在设计时要重视桥梁的精细构造，对其辅助结构进行合理的设计，使其更好地发挥抗震性能。