桥梁抗震设计要点及减隔震技术的应用

2020-03-06王兆旦王华逄鹏程

工程建设与设计 2020年21期

王兆旦，王华，逄鹏程

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100032）

1 引言

桥梁为我国的交通提供了无数便利，极大地改善了人们的出行，但安全问题也随之越来越明显。我国是一个频繁发生地震活动的国家，而地震会对桥梁安全造成严重的威胁，如海城地震、唐山地震、汶川地震等都给人类留下不可磨灭的损失，对广大人民群众的生命安全造成严重威胁，且给整个国家经济所造成的损失无法挽回。基于此，人们需要高度重视桥梁结构抗震性能的研究。在传统抗震思想中，为促进结构强度、刚度的显著提高，可以通过截面尺寸的增大、配筋的增加来实现，利用这种“以钢代钢”的方法，能够促进结构上部所传递的地震效应的显著增强，破坏一些薄弱部位，由此会对整个桥梁安全造成严重影响。桥梁减隔震技术是重要的抗震技术措施之一，其能够解决传统抗震思想弊端，还能够促进桥梁结构抗震性能的进一步提高，从而最大限度地减少地震对桥梁的破坏。因此，它在桥梁结构设计中的应用具有重要价值。

2 桥梁抗震设计要点

桥梁设计中的隔震设计可以充分提高桥梁的减震效果，将地震时的震害降到最小。近年来，欧美等发达国家对隔震设计进行了研究和试验，取得了一些成果。但我国在这方面与国外还有一定的差距，目前的设计方法多是借鉴国外的研究经验。桥梁隔震设计的目的是减少地震引起的损失。可以在一定程度上提高桥梁结构的稳定性，从而保证桥梁结构能够达到预期的抗震效果。此外，在隔震设计工作中，设计者还可以克服桥梁结构的不平衡，即减小地震对桥梁的影响。与一般抗震设计相比，隔震设计的抗震效果明显提高，在不显著增加造价的前提下，桥梁的整体质量得到充分保证。在隔震设计中采用隔震支座后，外部因素的影响明显减小，震后可以更换隔震装置，从而提高了桥梁的安全性【1】。

3 桥梁抗震设计实现途径

减隔震技术所实现的隔震或减震效果主要利用的是科学、合理的操作方式，在受到地震的情况下保证不会出现严重的损坏情况。具体工作原理如下：

1）在结构设计过程中尽量采用柔性支撑结构形式，通过设置这种结构形式来延长周期，降低地震多造成的比例影响。

2）缩短自身周期并且延长结构位移量，可以借助结构能量耗散能力与阻尼值增加的方式来实现，为此需要将一些合理的阻尼器式能量耗散基础元件应用到桥梁结构设计当中。

3）为更好地满足桥梁结构在正常试用下的荷载要求与刚度要求，需要将一定间隔部件合理地设置在桥梁结构中，便于将整个桥梁结构支撑起来。为更好地降低地震所造成的不良影响，结构自振周期需适当延长，且需要尽可能地减小结构地震的加速度反应。然而，这种设计方案会导致结构位移量的显著增加，这时为促进结构自振周期的显著减少，防止造成不必要的结构位移增加与位移量过大，就需要合理地增加阻尼结构，最终能够满足减隔震的效果要求。

4 桥梁减隔震技术探索

4.1 桥梁工程设计中的隔震设计原则

1）研究桥梁是否适合采用隔震设计，分析桥梁的隔震设计是否合适，并判断系统在地震后如何提高能量吸收能力。如采取隔离措施，应尽量采用结构简单、性能适宜的装置。

2）尽量采用对称结构，防止结构在地震作用下不平衡力过大而导致桥梁倒塌。实施隔震措施后，可以改变结构周期，防止地震共振，减小对桥梁的地震力，发挥一定的抗震效果，提高其稳定性。

3）注意桥梁的完整性。如果桥梁整体性不好，不仅会使结构的空间功能得不到充分发挥，而且结构构件和非结构构件也容易脱落。必须保证上部结构尽可能连续，同时采用有利于提高整体性的连接方式，并在各连接点设置减震措施，以提高桥梁的稳定性。

4）在桥梁抗震设计中可以设置相应的结构措施，提高桥梁结构的抗震性能，为桥梁的安全稳定提供有力保障，最大限度地避免桥梁的坍塌【2】。

4.2 墩台结构的抗震加固措施

通常情况下，桥梁桥墩的设置都比较高，因而面临很大的危险性。提高结构延性在桥墩抗震设计中是一种比较常见的加固措施，在山区开展高桥墩设计工作时需要充分借助钢混结构并采用空心截面，或者将系梁设置在横向墩柱之间，如此一来能够促进结构之间连接性的不断增加，又或者可以结合受力情况适当地增大柱的直径。另外，为促进结构延性、抗剪性能的进一步提高，可以将加密箍筋增设到桩柱的连接位置和墩柱的端部位置，这对于其抗震能力的提高至关重要。而桥台不仅可以采用与桥墩相同的措施，而且为了缓冲地震作用下所造成的结构变形，还可以将弹性垫块增设到梁与挡块连接处及梁与桥台连接处，为提高其抗剪能力，可以通过增设桩柱的方式，这对于有效规避抗震所造成的风险和促进结构安全性能的提高至关重要。

4.3 做好实地考察

减隔震技术的应用并非在全部条件下的桥梁设计方案中都适用，因此，桥梁设计人员在确定设计方案时必须深入现场进行全面分析与考察，对现场地质条件进行充分了解，如桥梁施工地点的土质硬度、地基稳定性、桥梁结构周期延长过程中是否会出现共振等各种问题。在深入了解这些问题和实际情况以后，需要确定隔震技术是否可以在桥梁设计中应用取得良好的效果。此外，在全面勘察桥梁施工现场后，需要对这项技术的实用性进行综合分析。

只有将减隔震技术应用到桥梁结构设计中，并进行科学的计算与分析，才能确定这项技术在桥梁结构设计中应用所产生的预期效果；只有全部应用条件相符，才能积极地开展桥梁结构设计工作，确保桥梁结构抗震性能达标且更加安全、稳定地运行。

4.4 减隔震支座在桥梁设计中的应用

隔震装置的设计可以从隔震支座的布置、各隔震装置的直径、水平位移、阻尼等方面进行。可选用橡胶支座来设计隔震支座的布置。在布置时，隔震支座之间的距离应在2m 左右，并尽量保持一致。同时，还应减小桥梁的扭转。上部结构中心和隔震支座刚度重心可以协调，使二者尽可能保持一致状态，有效降低桥梁的扭转力。隔震支座的直径应控制在一个统一的范围内，因为隔震支座的直径受桥梁的允许值和桥梁类型的影响，所以直径的大小是根据桥梁的实际情况来选择的。为了准确测量隔震支座的水平位移距离，可以先计算桥梁隔震设计中支座力的标准刚度差值。结合计算结果，可以计算出水平位移的距离，水平位移值应始终保持在允许范围内。