市政桥梁隔震设计的探讨

陈超

摘要：近年来市政桥梁结构抗震正逐步地从被动的抗震设计发展为现代隔震控制技术，该技术可以显著提高桥梁体系的抗震性能，为了促进桥梁设计体系的健全，总结并探讨隔震设计的技术和方法是十分必要的。

关键词：市政桥梁；抗震；隔震；阻尼；

中图分类号： TU99 文献标识码： A

一、隔震设计的具体意义

地震发生时，桥梁上部结构引起的惯性力荷载会在下部结构产生很大的内力和位移。而上部结构和基础之间相对位移的变化取决地面运动特征，结构质量、刚度、强度、支撑条件和耗能特征等。传统抗震设计中通过延性设计来满足桥墩和桥台的受力要求。然而构件在强震发生时将出现较大的延性变形，混凝土剥落，钢筋在塑性铰区域发生屈服，从而产生不可恢复的侧向位移。同时，由于恰当模拟构件的非线性及构件屈服后的弱化行为较困难，传统抗震设计的非线性响应分析存在许多不确定性。

近一个世纪以来将建筑物构件与由强震产生地面运动的破坏作用分离开来这一主动隔震的思想一直吸引着工程界人士。隔震技术的研究始于房屋结构，而后才应用于桥梁结构。隔震技术一是通过延长结构的自振周期来减小结构的加速度反应，从而减小结构由于地震所产生的地震荷载，二是通过增加结构的阻尼，来减少地震引起的位移反应。

通过隔震设计，可以全面降低地震荷载，并改善地震荷载在各墩台间的分布。在同等造价情况下可达到比传统抗震设计高的抗震性能。通过隔震设计，可减小或消除在设计水准地震下结构位移超出弹性范围的现象。震后的主要维修工作是更换隔震装置，时间相对较短，维修的费用也相对较低。对于隔震结构，若采用全保护隔震设计，非线性仅局限于隔震装置，因隔震装置的非线性力学特性相对于构件的非线性力学性能要清楚得多，从而更易于准确地进行计算分析。

上述分析表明隔震设计可以极大改善结构的抗震性能并带来经济效益，我国在2011年颁布的《城市桥梁抗震设计规范》中将隔震和减震设计作为独立的一章写进规范，并规定了设计要点和相关设计细节，这也说明了隔震设计理论和相关装置产品的逐步成熟。

三、隔震设计的设计原理及其基本原则

1、设计原理解析

常规的抗震设计方法通过提高结构的强度、变形能力来达到抵御地震的效果。而隔震设计是由抗震设计发展到一定时期演变而来的产物，其原理恰如其名“隔震”，即减小地震对桥梁结构产生的一些不利影响。隔震设计关键是添加了柔性要素，使构件和水平地面运动在很大程度上降低关联，使结构的反应加速度比地面加速度小，旨在依靠减小而非抵抗地震作用来保护结构不受地震破坏。此外，阻尼的引入有效地消耗了输入的地震动能量，使传递到隔震结构上的作用力大大降低，并有效控制结构位移。

2、隔震设计原则

（1）采用隔震设计来延长桥梁的自振周期和提高桥梁结构的耗能能力时，其效果应从平时和地震情况下两方面来校核判断。

（2）对具体项目具体分析，实施隔震设计前，要客观分析工程条件和实际情况，并保证有切实可行的方法、工艺来实现，否则就不可能达到理想中的效果。

（3）以下几种情况下原则上不宜采用隔震设设计：

a.基础周围的上层非常软弱, 如为液化土时；

b.下部结构柔性大, 桥梁结构固有周期本身就较长；

c.由于基础周围地基软弱，延长桥梁周期后可能引起地基与桥梁共振；

d.需要受拉支座的桥梁。

（4）进行隔震设计时，为提高其耗能能力，可提高其阻尼比，而不应过分延长桥梁的自振周期。

（5）采用隔震设计的桥梁，其自振周期和地震时上部结构位移的增大不应危及桥梁的功能。

（6）应清楚了解隔震装置的性能参数，应选择机构简单、性能可靠的隔震装置，并应使用其力学性能比较明确的范围。

（7）隔震装置用锚栓等与上下部结构连结，应能进行更换。

（8）采用隔震设计时，应根据设计所假定的容许位移。在桥台、桥墩等主要结构物之间设计位移间隙。

四、桥梁常用隔震支座

对桥梁结构而言，梁体和墩台通过支座连接。理论和试验表明：在梁体与墩台间设置水平柔性支承和能量耗散装置可以有效地降低结构地震响应。目前技术比较成熟的常用减隔震支座可分为滑动摩擦体系（P-F system），橡胶类减震体系（LBR）以及钢耗能体系三类。

纯滑动摩擦体系的最大优点是对地震波的频率不敏感，隔震范围广。地震动传到上部结构的最大加速度近似等于支座的摩擦系数，下部结构受到的最大水平力近似等于摩擦力。采用纯滑动体系时可能导致较大的结构位移，一般须与具有回复能力的构件联合使用。

橡胶类支座可以发生较大的水平变形，增加了结构柔性，提高周期。铅芯橡胶支座在弹塑性变形条件下具有很强的耗能能力，是目前应用广泛的隔震器。但低频小振幅地震激励可能会使铅芯支座体系的地震反应放大。对墩柱较柔的桥梁，其隔震效果也不是很好。

钢耗能体系支座是在支座周边布置一系列的耗能构件，横向力作用下, 所有截面的应力基本相同，所以能够得到最大的耗能效果。耗能单元的钢材一般具有较好的伸张度和较低的硬化度

五、桥梁的隔震设计

1、概念设计

概念设计是设计之魂，桥梁是否结构合理、经济美观,早在详细设计之前的概念设计阶段就已确定。对于隔震设计，在概念设计阶段一方面是在掌握各类桥梁结构的动力响应特性和现有隔震技术特点的基础上根据具体的工程地质、地震动特性以及正常使用条件等实际情况，借鉴结构抗震经验提出适合于该场地的有效、经济、合理的抗震结构形式。另一方面，对确定的结构形式在不同水准地震作用下预期的振动响应以及结构进入非线性后的受力行为进行考虑，做到概念上定性的认识和理解。最后判别其是否适合使用隔震技术，选用何种隔震装置及如何布置隔震装置比较合理等。

2、数值分析

在桥梁的隔震设计中，主要包括隔震装置的设计和结构构件设计。其中，前者是隔震的设计核心。对于简单规则的桥梁，一般采用弹性反应谱法。而对于构造复杂或不规则的桥梁，则需采用时程分析法。

弹性反应谱方法，计算简单，和现有规范计算方法接近，易于接受。但由于隔震装置的等效刚度和等效阻尼和隔震装置最大变形相关，而隔震装置的变形又与整个结构的地震响应相关。所以应用该方法的隔震设计是一个迭代的过程。在时程分析法中，由于没有直接的公式和规则来达到目标。一般的情况是设计者首先建立一个他认为地震反应可以被接受的结构模型，利用计算分析后的结果修正其初始模型，再进行下一个阶段的分析，直到得到一个合理的设计。计算分析中应采用合适的非线性连接单元模型中阻尼器、隔震器的属性

3、细部构造的设计

进行隔震设计时，为保证得到较好的效果必须注重细部设计。桥梁的附属结构，如限位装置、伸缩缝、防落梁装置对整个结构的动力响应和隔震效果都有很大影响，应将这些因素在计算模型中予以考虑。

对于上部结构不连续时，应限制各段之间的相对位移并预留足够的缝隙以免地震时相互碰撞；对于挡块、连接件等应验算其强度、刚度；充分考虑隔震装置的维护和更换的便利性。

结束语

桥梁是作为一项基础市政工程，在危机管理中也是非常重要的一部分，需要有较强抗震能力。隔震技术是简便、经济、先进的工程抗震手段，相对传统抗震设计方法可以更好地保护桥梁结构在地震时遭受破坏。国内对桥梁减隔震及装置的研究已有不少成果但实践尚少，仍存在很多问题亟待我们研究和解决。

参考文献

［1］范立础.桥梁抗震【M】.同济大学出版社，1997。

［2］ 孙立民.范立础.阪神地震后日本抗震规范的改订[J].同济大学学报，2001。

［3］范立础.桥梁减隔震设计[M].人民交通出版社，2001。