桥梁设计中隔震设计研究

2015-03-21陈勇星

黑龙江交通科技 2015年3期

陈勇星

(贵州省交通科学研究院股份有限公司)

0 引言

桥梁作为公路、铁路工程重要的基础设施，必须具有较高的安全可靠性，尤其是具有较强的抗震性能，以确保交通运输的安全。这就要求桥梁工程设计人员在桥梁的设计过程中，必须要充分考虑到桥梁隔震设计的相关要求，通过合理的结构设计方案，在确保桥梁结构正常使用功能的前提下，依靠隔震装置延长结构周期，消耗地震能量，降低桥梁结构的响应，提高桥梁结构设计的安全性。

1 桥梁隔震技术原理分析

在地震荷载的作用下，桥梁结构内部会产生较大的内力以及位移，隔震技术则主要是在桥梁结构的设计过程中，通过设置隔震装置，将桥梁结构与可能造成结构破坏的地面运动分离开来，进而减少地震力以及地震能量对桥梁结构的影响，桥梁隔震技术的技术实现方式主要有以下几种形式。

(1)延长桥梁结构的自振周期，降低地震力的影响。在地震荷载作用下造成桥梁结构出现损坏的主要原因就是由于桥梁结构的自振周期与地震力周期具有较高的吻合程度，造成了桥梁结构的共振，进而导致桥梁结构地震反应放大，造成了梁体结构的损坏。通过采取隔震设计，可以将桥梁结构的自振周期延长，进而有效的降低桥梁结构在地震发生时的绝对加速度反应。

(2)增加桥梁结构的结构阻尼，对结构位移进行限制。由于延长桥梁结构周期，因此会造成桥梁结构位移反应的增加，在这种情况下，就必须设计相应的阻尼装置来增加桥梁结构的阻力，并加快地震能量的耗散，进而确保地震发生时桥梁结构的位移能够控制在合理的范围内。

(3)有效的分散桥梁结构的水平地震力。桥梁结构中，由于固定墩和活动墩在水平刚度上有很大的差异，导致水平地震力基本是由固定墩来承担，通过隔震设计，特别是对于连续梁桥而言，相当于取消了连续梁桥的固定墩，在地震荷载作用下，确保所有的桥墩都能够参与抵抗地震力，起到了改善桥梁结构内力分布的作用。

2 桥梁结构隔震设计的必要性分析

(1)确保桥梁结构基础、墩台等下部结构的安全可靠。在桥梁结构设计中通过设置隔震装置，能够将地震荷载作用下所产生的塑性变形以及残余位移集中到隔震装置中消散，依靠隔震装置实现耗散地震能以及承受变形的作用，进而改善地震荷载下的桥梁下部结构的受力情况，确保桥梁工程下部结构的安全可靠。

(2)实现地震作用下桥梁工程整体结构响应的一致性。通过设置隔震装置，能够通过横向刚度的调节确保桥梁结构上部结构与下部结构响应的一致性，同时还可以起到整体改善桥梁结构扭转平衡性能，因而降低地震力对与桥梁结构的影响，提高地震作用下桥梁结构的安全水平。

(3)控制桥梁结构的变形问题。对桥梁结构采取隔震设计，能够大幅度降低桥梁结构在温度、收缩以及徐变等结构变形方面的影响，同时也可以有效的控制地震下部结构变形超出弹性范围的问题，因而能够在桥梁结构的设计中减少伸缩缝的使用，增加桥梁的跨度，同时还可以控制桥梁结构的桥墩以及基础的非弹性变形。

3 桥梁结构隔震设计措施

3.1 桥梁隔震设计原则

在桥梁的隔震设计中，必须把握好桥梁隔震设计的几项特点。

(1)隔震装置的水平刚度越小，则自振周期延长地越长，上部结构的加速度(或剪力)的减小效果越好，但会增加结构的位移响应。

(2)增加结构的阻尼，会减小上部结构的加速度(或剪力)响应，同时也会减小结构的位移增加趋势。

(3)桥梁基础强度会直接影响到桥梁的隔震设计效果，桥梁结构基础的承载能力越高，对于提高减震效果越有帮助。

(4)在桥梁隔震设计的具体设计过程中，设计重点应集中在减小上部结构的加速度响应、增加位移之间找平衡方面。

3.2 铅芯隔震橡胶支座设计

铅芯隔震橡胶支座由钢板与橡胶分层叠合，经高温硫化粘结制作而成，并通过上下联结板与结构相连，装置正中央为铅芯。隔震橡胶支座主要由上连接板上封板、铅芯、多层橡胶、加劲钢板、保护层橡胶、下封板和下连接板等级部分组成，在具体的隔震作用原理上，多层橡胶、加劲钢板构成多层橡胶支座主要是起到承担建筑物重量和水平位移的作用，而铅芯则是在多层橡胶支座剪切变形时，靠塑性变形吸收地震能量，在地震作用结束后，铅芯又通过动态恢复与再结晶过程，以及橡胶的剪切拉力的作用，确保桥梁结构及时的恢复原位。铅芯隔震橡胶支座的技术优势在于竖向刚度稳定，竖向承载效果好，水平刚度能够满足地震和常规位移需求，铅芯阻尼耗能能力强，而且铅芯面积可调，方便支座阻尼比调整，支座的安装及检修更换方便，运营维护成本较低，因而在桥梁隔震设计中的应用非常普遍。

(1)支座的布置。在铅芯隔震橡胶支座的布置上，首先应该对支座的设计位移量与桥梁因制动力、温度和混凝土收缩徐变等共同作用及地震力引起的位移是否匹配进行验算分析，在布置上如果采用矩形支座宜，应该设置确保支座短边与纵桥向平行布置，当桥梁横向尺寸受限时，可采用支座长边沿纵桥向布置。

(2)支座的选型。支座的选型流程为，首先根据桥梁结构抗震设防烈度以及场地类型的不同确定铅芯隔震橡胶支座的剪切模量，进而确定铅芯隔震橡胶支座圆形、矩形等本体形状，之后对设计竖向承载力与设计剪切位移量进行验算分析。在支座的具体选型过程中，必须考虑支座与桥梁结构的配套适应性，同时确保满足桥梁结构的空间位置要求;此外，套筒和锚杆等配套附属件的设计选取应当安全、适用、经济、合理。

(3)支座的计算分析。在支座设计方法的选择上，应该按照《公路桥梁抗震设计细则》中的相关要求，采用反应谱法、动力时程法和功率谱法对隔震装置的性能设计进行验算分析，如果桥梁结构动力特性较为化，则应该采用非线性动力时程分析方法。

3.3 摩擦摆球型支座

摩擦摆球型支座主要是由上支座板、不锈钢板、上耐磨板、球冠、下耐磨板、橡胶密封环、下支座板、限位装置及锚固组件等级部分组成。摩擦摆球型支座的隔震装置是利用单摆原理设计开发，隔震系统的周期和刚度通过制作中滑动表面曲率半径进行调整，阻尼则是通过运动摩擦系数来调整。通过高强的抗压材料制作的中间滑板，在下部结构发生地震位移时，产生指向平衡位置的恢复力，同时依靠滑板和滑动面之间通过摩擦耗散能量。其设计流程主要有以下几方面。

(1)隔震参数的确定。摩擦摆球型支座的隔震参数主要包括摩擦系数、隔震半径(或周期)、地震位移量，为了准确的获得相应的设计参数，可以通过反应谱的方法，计算出不同烈度、不同特征周期的支座的隔震参数，并根据抗震重要系数、场地系数、阻尼调整系数、地震加速度峰值等相应的参数计算设计加速度反应谱最大值，进而确定支座选型。

(2)支座的选型与布置。摩擦摆球型支座的布置应该根据桥梁的结构形式确定，支座布置形式是桥梁隔震设计中非常重要的环节，会直接影响到支座的受力状况。对于简支梁、小跨度连续梁一般采用单向活动型支座，对于大跨度连续梁或多跨长连续梁，主要采用双向活动型支座和柱面单向活动型支座，同时控制支座设置在与固定墩的间距大于150 m 的中墩及边墩位置，以免热胀冷缩位移量过大导致支座高度变化过大影响桥梁结构内部受力。