桥梁设计中隔震设计的重要性分析

卢 鹏

四川恒盛路桥勘察设计有限公司，四川攀枝花 617000

从世界地图上看，我国处于亚欧板块和太平洋板块之间，两大板块之间的相互挤压非常容易造成地震，尤其是在我国的西南地区、西北地区、华北地区以及东南地区，这四大地区都是非常容易受到板块之间的挤压影响，在近些年由于板块挤压形成的大小规模的地震已经对这些地区造成了很大的影响，自从2008年汶川地震后，西南地区例如四川、重庆、贵州、云南等地已成为地震的频发区。也正因如此，我国对防震工作有了一个全新的认识，不断地加强各个地区的防震工作。随着我国桥梁防震意识的提高，我们认识到在桥梁设计和建设技术上还存在诸多问题，为了提高桥梁在地震中的稳定性，下面就对桥梁设计中隔震设计的重要性进行分析。

1 桥梁隔震设计在桥梁抗震设计中的位置

目前我国桥梁抗震设计主要分为两类，第一类为传统抗震设计，分为：（1）强度设计（结构处弹性状态），其本质为用结构的强度到抵抗地震作用（硬抗）。（2）延性设计（结构处于非弹性状态），其本质为允许结构有非弹性状态变形，由此完成能量耗散（塑性变形耗能）。第二类为结构控制，分为：（1）主动控制，AMD（主动调质阻尼器）；（2）被动控制，减隔震设计（①减震耗能，如阻尼器、TMD等，适用于大跨度桥梁；②隔震设计，如叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座等，适用于普通梁式桥梁）；（3）混合控制，主动控制+被动控制。

与传统的抗震设计相比，减隔震设计具有经济有效、途径合理、设计方法全面、减隔震效果全面的特点。特别是隔震设计，其主要适用的普通梁式桥梁占我国现有桥梁总量的95%以上，对其隔震效果与重要作用的研究分析就具有普适性的作用和意义。

2 桥梁隔震设计理论概述

2.1 桥梁隔震技术的原理

桥梁隔震技术就是对桥梁结构与地基之间设置足够安全的隔震系统，从而提高桥梁稳定性的技术。主要方法是利用舒缓力将震源缓慢减小，从而使桥梁受到的震力降到最小。在现在的桥梁隔震系统设计中，主要是将桥梁本身的刚性程度也就是本身的承载力和桥梁所能够承受的形变进行相互配合，从而达到隔震效果。另外，桥梁隔震系统还为桥梁添加了柔性功能和阻尼装置，间接隔开了桥梁中心结构和地面的运动，和地面接触的桥梁结构影响不到桥梁的中心结构，这两项新发明使桥梁结构的稳定性得到了很大程度的提高。

2.2 桥梁隔震技术的特点

十九世纪的桥梁隔震设计主要是通过增大梁柱的尺寸，从而使梁柱和地面的接触面积达到最大。这种方式所采用的桥梁建筑材料的刚度非常大，在实用性上底部结构所受的震力越大，那么向上传递的震力相应的也会变大，简单来说就是“以刚治刚”。而现在的桥梁隔震设计采用的方式是“以柔克刚”，通过对桥梁的延展性和柔性进行增强，来提高桥梁的隔震效果，这种提高桥梁隔震性能的方式相比于传统的隔震方式更加的安全可靠，检修时只需通过对桥梁底座进行检修，使桥梁的检修工作更加方便，而且桥梁的材料选择非常的广泛，一定程度上减少了经济开支；更重要的是这种柔性结构在桥梁中的应用使桥梁的中心结构设计更加自由，使得桥梁整体的韧性和塑造性得到大大提高，且使桥梁底部传递到桥梁中心结构的震力得到了很大程度的减小，避免了桥梁中心结构严重非弹性变形的发生。

2.3 桥梁隔震设计的基本原则及注意事项

在我国现在的桥梁设计中，桥梁的隔震设计基本原则主要分为五大点：第一点，有一部分桥梁不适合采用隔震技术，具体的情况有：①桥梁的固有周期增长后桥梁的整体结构能否吸收地震时所产生的能量。②如果隔震设计会对桥梁的整体结构产生有害的耦合震动效应，这一类桥梁是不适合采用隔震技术的。③下部结构刚度较小，桥梁基本周期较长时，不适合采用隔震技术。④支座出现负反力时也不不适合采用隔震技术。第二点，对桥梁使用隔震系统时，桥梁上部结构在地震时受到震动不应对桥梁的整体造成影响，上部结构在地震后会产生相对的位移，因此在地震后，应当加强对隔震装置的修补和完善。第三点，隔震技术在桥梁设计的实际应用中，隔震性能要高于常规设计的隔震性能。第四点，桥梁建设地基的选择，隔震设计只能够应用于地基比较坚实的桥梁设计中，而在一些地基较为柔弱的桥梁中，隔震设计在地震时只会对桥梁造成更大的损害。第五点，在条件允许的情况下，一定要选用结构简单的隔震装置，并在明确规定的力学范围内使用。这五项原则在桥梁的隔震设计中一定要时刻注意，才能使桥梁的隔震效果得到提升。

另外，隔震设计的桥梁，应满足正常使用条件的要求，相邻上部结构之间须在桥台、桥墩等处设置足够的间隙，以满足位移需求。基本周期原则上应为不采用隔震装置时基本周期的两倍以上。计算隔震桥梁地震作用效应时，宜取全桥模型进行分析，并考虑伸缩装置、支座类型及桩土联合作用等因素的影响。 隔震设计中桥梁的附属结构在桥梁的抗震中同样发挥着不可忽视的作用，这些附属构件和结构主要包括限位装置、伸缩缝、防落梁装置等，通过对诸多震害调查的分析和动力时程分析我们发现这些细部构造是影响桥梁结构动力响应和隔震效果的重要方面。但当前普遍存在的问题是大多数的设计人员会忽略细部构造的设计、将其置于次要地位，这也是由于在地震响应的计算时附属结构的计算方法较为复杂造成的。在细部构件的设计时应当具有良好的连续性。

3 叠层钢板隔震支座

在桥梁设计中，梁体底部可以用隔震支座提高抗震性能，现在桥梁的隔震支座设计中主要有五种，分别是扳式橡胶支座、高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、粘性体减震支座以及聚四氟乙烯支座，下面我们就对这五种方式分别介绍。

3.1 铅芯橡胶支座

通过天然橡胶的支座中心插入铅芯来提高支座本身的阻尼性能，这种支座除了能够使桥梁的承重力得到提升之外，还能够吸收地震引起塑性形变所产生的能量，使铅芯橡胶支座受到震力后产生塑性形变后能够快速恢复。铅芯橡胶支座主要是通过调节铅芯直径的大小来调节支座的阻尼比，使支座具有很高的灵活性、耐久性，但需注意的是铅芯的纯度一定要高，否则会对桥梁的底座稳定性会造成很大影响。

3.2 高阻尼橡胶支座

高阻尼橡胶支座又名HDR支座，是将天然橡胶和各种配合剂结合使用，提高支座的滞后损失，降低储存模量，使橡胶的阻尼性能得到很大程度的提高，然后利用这种高阻尼橡胶制成的与普通橡胶支座结构近似的一种钢板和橡胶通过热硫化构成的叠加产品。高阻尼橡胶支座和扳式橡胶支座最大的不同之处就是不用和阻尼系统配合使用，本身就具有很高的阻尼比，而且这种支座的阻尼比还可以通过加入一定量的石墨来进行调整。但是，高阻尼橡胶支座在实际应用中的性能还不够稳定，还需要进一步的研究，对其稳定性进行加强。

3.3 扳式橡胶支座

扳式橡胶支座主要是通过将多层天然橡胶和薄钢板一层一层叠加硫化粘合而成。扳式橡胶支座在桥梁隔震中的作用非常大，主要是使桥梁的竖向刚度得以提升，在一定程度上使桥梁的承载力得到增强，采用扳式橡胶支座可以将桥梁中心所受到的压力传递给桥梁底部，使桥梁的塑性形变提高，使桥梁的整体型变量能够适应震力引起的桥梁形变。还有就是扳式橡胶支座，采用的天然橡胶阻尼比本身较低，需要扳式橡胶支座在实际应用中和阻尼系统配合使用。

3.4 粘性体减震支座

粘性体减震支座是通过粘形体的粘性剪切来吸收桥梁受到震动能量，设计原理就是对桥梁底座装设减震器或减震功能的支座，粘性体减震主要是利用了介质的粘滞性，这也是为什么叫做粘性体减震支座的主要原因。粘性体支座由支座内箱和桥梁中心的结构来固定，支座外箱和桥梁下部结构固定，通过改变粘性体剪切面的大小达到调节支座性能的目的。粘性体最大的弊端就是支座结构非常的复杂，而且加工起来也非常困难。

3.5 聚四氟乙烯支座

这种支座的设计原理主要是通过在普通橡胶的支座上按照规定要求粘贴一层厚度为2～4mm的聚四氟乙烯，聚四氟乙烯支座也是现代桥梁隔震设计中最常用的一种设计方式，聚四氟乙烯支座不仅具有很高的刚度，而且塑性形变较阻尼比高，具有很好的隔震效果。

4 结语

我国的桥梁隔震设计水平已经取得很大提高，但由于我国起步较晚，在桥梁隔震设计中依然存在一些问题，为使我国的桥梁隔震设计技术水平越来越高，我们必须对桥梁隔震设计进行不断的研究和改善。桥梁设计中的隔震设计是提高桥梁工程质量的重要方面，我们应当科学地吸收和借鉴国外的一些技术经验，完善国内桥梁设计中的隔震设计，提高桥梁的抗震性能，使我国的桥梁设计得到更好的发展。

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