有关减隔震技术在桥梁结构设计中的应用浅析

刘佳钰，张 军

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

0 前言

减隔震技术作为目前应用较广泛的一种结构控制技术，它利用特制的减震及隔震装置,大量消耗或阻止进入结构体系的能量,达到控制结构内力分布与大小的目的。随着我国公路桥梁事业的发展，以及近年来地震事故频发的状况，减隔震技术作为一种流行的、安全可靠的、经济有效的防震减灾技术迅速在桥梁结构设计中得到了应用。减隔震包括了减震和隔震两部分，前者主要是指使用特殊减震部件或设备从而能够在强烈地震中，产生较大的阻尼，然后大量耗散系统的能量；后者以隔震方式削弱主体结构的地震能量。

1 减隔震技术原理

减隔震技术是一种综合利用隔震和减震的抗震设计方法，具体来讲就是通过了结构基础位置阻断地震波的传播、隔离地震能量。减隔震设计中还考虑了通过附加阻尼的方法进一步降低结构地震响应。主要包括了减震技术和隔震技术。前者是指人为的将阻尼以及耗能构件等设置在桥梁结构的某些合适的位置，从而使得耗能构件能对地震波的能量进行吸收。后者也是一种特殊的结构类型。它与减震不同的是，它是具有震动周期的特殊结构。在地震发生时，同样可以使得桥梁结构的地震能量输出。从而使得桥梁结构缓冲地震力量，更好的保护桥梁结构。两者相得益彰，共同应对地震波从而保护桥梁免受迫害。

由于隔震的本质和目的是将结构与可能引起结构破坏的地面运动尽可能的分离开来。所以从能量守恒的观点分析减隔震结构在任意时刻的能量变化。能量方程如下:

Ein的含义是桥梁结构在地震中所接受的全部能量。Eve的含义是桥梁结构承受的动能与弹性势能总和。Ec的含义是桥梁结构本身阻尼所耗费的能量;Ep的含义是桥梁结构进行弹性变形所耗费的能量；Ei的含义是减隔震装所耗费的能量。

2 减隔震技术的发展

起始阶段：19世纪欧洲已经萌发了基础隔震思想，但直到 20世纪70年代新西兰学者罗宾逊开发的 LRB(铅芯橡胶支座隔震技术)开始逐渐受到关注。

发展阶段：从 20世纪80年代至今，这一阶段是减隔震技术的高速发展阶段。例如 1981年在新西兰惠灵顿建成的威廉克莱顿大楼是世界上第一个使用减隔震技术的建筑。1984年加州律师事务中心福希尔司中心建成后它是美国第一座隔震建筑，也是世界上第一个使用高阻尼橡胶支座隔震的建筑。1984年美国盐湖城的市政大厦强调高层建筑必须使用隔离技术。2003年建成的日本大阪楠叶塔楼最高部分达到 136.8 m，这也归功于建设中使用了减隔震技术。2010年应用基础隔震技术建成了世界最高的建筑迪拜塔哈利法塔。

结合文献研究最近几年的关于减隔震技术的文章，可以看到明显呈现一个几乎指数递进的趋势，见图1。

由图1可知，研究关于减隔震技术在桥梁结构设计上的应用是当前的一大趋势，这也反映出减隔震技术对于桥梁的结构设计是十分重要的。

3 减隔震技术的重要性

图1 减隔震技术在桥梁结构设计上发表的文章

桥梁设计中的减隔震设计指的是在桥梁建设时安装隔震器，它可以使桥梁在水平方向上得到柔性支承，这样就使水平方向上的周期延长，另外还要安装阻尼器提高桥梁的阻尼效应，可以在地震发生时降低地震的作用。如果在桥梁的设计中加强隔震设计，可以有效地改善和分解地震中的地震力在各结构支座间力的分布情况，这样可以保护桥梁的基础部位，同时对桥梁的上部结构可以有效地支撑和保护在桥梁。桥梁结构设计中的相关减隔震设计可起到调节横向刚度的作用，这样可以改善桥梁结构扭转平衡的问题，有效地降低了地震力。所以，减隔震技术在桥梁结构设计上十分重要。

4 桥梁减隔震装置分类

桥梁减隔震技术发展迅速，减隔震装置分类上比高层建筑的减隔震装置更多些。常见的桥梁减隔震装置包括五类：铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦型支座、液体黏滞阻尼器、金属阻尼器。随着时代的发展科技的进步，肯定有更多的桥梁减隔震装置出现，本文就这些做一个简单的分析。

4.1 铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座是由普通叠层橡胶支座及其中间的高纯度铅芯组成。普通叠层橡胶提供竖向承载力和水平柔性及恢复力，高纯度的铅芯利用其塑性性能吸收并耗散能量。金属铅有较高的初始剪切模量和理想弹塑性性能，因此铅芯橡胶支座能够满足强震下耗能需求和正常使用时提供足够的刚度。铅芯橡胶支座是同时具备减震和隔震双重功能的减隔震装置。

4.2 高阻尼橡胶支座

高阻尼橡胶支座采用添加纤维塑料、石墨或其他添加剂的高阻尼橡胶材料制成。支座产生剪切变形时，高阻尼橡胶中的纤维塑料或石墨细颗粒物通过摩擦生热耗散运动能量，其阻尼比一般在 10%～20%，约为普通叠层橡胶支座的 2～4 倍。因此，高阻尼橡胶支座不仅具有与普通板式橡胶支座同样的力学性能，更具备阻尼比高、减震耗能性能突出的优点。

4.3 滑动摩擦型支座

滑动摩擦型支座在我国最常见的是聚四氟乙烯滑板支座。该支座采用聚四氟乙烯（PTFE）材料做摩擦板，与不锈钢板的摩擦系数仅为 0.06，是中等吨位活动型支座的首选。在地震作用时，当支承在滑动摩擦型支座上的梁体受到的惯性力大于摩阻力时，梁体与支座滑动面之间开始滑移，桥梁结构的振动周期延长；梁体通过支座传递给桥墩的水平力即为摩阻力。

4.4 液体黏滞阻尼器

液体黏滞阻尼器由高强耐压缸体、活塞杆、活塞及阻尼孔和黏性阻尼液等组成，其工作原理是利用活塞两端压力差使高黏性阻尼液反复流过阻尼孔而产生阻尼力并耗散运动能量。

液体黏滞阻尼器属于速度黏滞型阻尼，阻尼力峰值与结构弹性内力峰值存在一个约 90°的相位差，阻尼器两端相对位移达到最大值时，相对运动速度为零，阻尼器提供的阻尼力也为零；当阻尼器两端相对位移为零时，相对运动速度达到最大值，阻尼器提供的阻尼力也相应的达到最大值。

4.5 金属阻尼器

金属阻尼器是利用一些金属材料如钢、铅等弹塑性变形性能吸收地震能量的装置。采用低屈服点钢材可以制成弯曲型或剪切型阻尼器。

5 桥梁减隔震装置的缺点

（1）适用条件有限

不是所有情况都适合应用减隔震技术。例如：场地比较软弱、不稳定、或延长桥梁结构周期后容易发生共振等情况，就不宜使用隔震技术。在进行桥梁结构的抗震设计之前需要判断该桥是否适合采用减隔震技术。事实上，至少满足下面一个条件,就可以尝试采用隔震技术进行桥梁结构的抗震设计。一、地震波的强度：减隔震技术更适合于适用于能量集中于高频的地震波。二、桥梁结构的高度：桥梁高度是不规则的,例如相邻桥墩的高度显著不同,因而可能存在对某个墩延性要求很高的情况。三、场地的角度：预期地面运动特性比较明确,具有较高的卓越频率并在长期内含有较低的能量。

（2）缺乏考验

当前设计出的许多减隔震装置都没有经历过真正的地震检验，性状优劣还有待考证。只有经历过大地震才知道一项减隔震技术效果如何。

（3）规范缺乏

我国在桥梁减隔震装置设计上还缺乏规范性，更缺乏经验支持，尤其是在细节处理及构件设计上，若是不能及早完善这些缺点，有可能会引起减隔震装置的作用大大降低甚至失效。

6 相应的策略

（1）学习并了解地震发生的强度，周期等，确保减隔震装置不会用错地方。辨认减隔震技术的使用范围无疑是正确充分利用的充分条件。

（2）国家和地方政府需要制定、并完善相应的法律法规，政策方针。规范桥梁建设的安全。尤其是装有减隔震装置的桥梁，抗震效果的判断等。

（3）充分利用现在的计算机模拟实际情况，进行充分的论证和实验后才能付诸于实践。同时要对技术不断更新和提升。从而在桥梁建设方面更加的安全、防震、便捷。

7 结语

减隔震技术已经广泛的应用于各类桥梁结构设计中,可以根据结构自身特点,在不同的位置设置不同的减隔震装置,来提高桥梁结构的整体抗震性能。目前，我国尚处于隔震技术起步阶段，国外的一些成功工程技术经验值得我们学习和借鉴。因此，在实际工作中，应该利用国外先进经验，健全法律法规，增强我国桥梁的减隔震装置和方法的设计水平，提高桥梁工程抗震性能。

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