桥梁减隔震技术要点研究

文/张天宝

1 桥梁减隔震技术的重要性

桥梁对我国交通运输事业的发展具有重要作用，因此我们应保证其安全稳定性。我国是一个地震多发的国家，一旦发生强烈地震，很可能会损坏桥梁。除了造成巨大的经济损失外，同时还会对灾后救援造成困扰。桥梁减隔震技术是解决此类问题的主要途径之一，有利于促进我国交通运输事业稳定发展。

2 减隔震技术原理

减隔震技术是减震与减隔震技术的总称，主要是通过基础结构方面的调整达到抵御地震效果的技术。减震设计通过设计弹性阻尼等手段，消耗地震力的影响，能够达到结构整体稳定的目的。隔震技术使用特殊结构，并利用震动周期原理，可以达到促进地震能量输出从而保证桥梁安全的目的。减隔震技术主要原理是将桥体的主要结构与可能出现破坏的面层相分离，避免地震对桥梁的破坏。从能量守恒角度出发，在任意时刻减隔震技术能量转换关系如下：

Ein=Eve+Ee+Ep+Ei

Ein是桥梁承受的地震总能量；Eve是桥梁所承受的动能和弹性势能；Ee是桥梁自身隔震能量消耗；Ep是桥梁结构的弹性变形能量消耗；Ei是正在降低减隔震技术的能耗。

在实际设计中，减隔震技术必须有机统一，从而应对地震波对桥梁结构的破坏。减隔震技术是在桥梁上施工隔振器，以此提供有效的水平柔性支撑，延长桥梁的水平周期，增加隔震效果。通过减震器使结构变形，能够有效减少地震对桥梁结构的影响。另外，桥梁结构的减隔震技术还可以分解结构支撑之间的地震力应力分布，增加上层建筑对桥梁基础的支撑和保护，并通过对侧面刚度的调整，达到平衡扭转的目的[1]。

3 减隔震装置技术

桥梁减隔震装置应用时间较长，其使用材料和技术在近些年得到了快速的发展。不同于建筑中的减隔震装置，桥梁装置种类多种多样，可以提供较广泛的选择。具体来说，目前常用的减隔震装置有铅橡胶支座、高振动橡胶支座、滑动摩擦支座、液体粘性隔震器、金属隔震器等。

3.1 铅橡胶支座

该支座由多层橡胶支座和高纯度铅芯组成。常规的多层橡胶主要利用垂直承载力和水平柔韧性再生力；纯铅芯对于消耗地震能量具有积极作用，其具备理想的剪切模量和塑性。所以该支座既可以满足严重地震条件下的能耗需求，又可以满足自然冲击刚度的双重吸收和隔震性能。

3.2 高振动橡胶支座

这种类型的支座由加入纤维、石墨的橡胶材料构成，减隔震性能要高于普通橡胶3 倍左右。当桥梁遭遇地震影响时，其纤维和石墨等材料在变形作用影响下会因为摩擦热量来耗散动能，其机械性能与普通支座相似，但隔震比更高，减震能量消耗更大。

3.3 滑动摩擦支座

滑动摩擦支座目前主要在实践中使用PTFE 材料构成，摩擦系数仅为0.06，更适合于中吨位支座。在发生地震的情况下，当滑动摩擦支座中的支撑梁承受的惯性大于摩擦阻力时，梁和支座的滑动表面将滑动，进而大大延长了桥梁的振动周期。

3.4 隔震器

由压力缸、活塞、节流孔、粘滞隔震液等组成的液体粘滞隔震器主要通过活塞尖端的压差将粘滞的隔震液压过孔口，使隔震力消散目标能量。桥梁减隔震与弹性峰值之间具有相位差，隔振器相对速度为0 且相对位移达到峰值时，其衰减作用也降到0，同时隔震器隔振装置的相对速度和衰减力达到最大值[2]。

金属隔震器的减震器和隔震装置主要利用低效钢制成的弯曲剪切减震器，该减震器利用钢等金属材料的弹塑性变形特性吸收地震能量。

4 减隔震技术在桥梁结构设计中的应用

4.1 工程概况

某高速公路桥梁是30m+60m+30m 双跨桥。桥的面板跨度为21.5m，桥的设计长度为1.845km。最初，计划采用滑动摩擦支座的减隔震技术，并依据国际特大桥实践，设计为斜拉桥形式，通过减隔震系统优化达到安全稳定。

4.2 设计思路

通过对桥梁工程区域的水文、地震条件等分析，确定桥梁减隔震设计优化目标，依据相应技术方案对工程设计做出最终优化。在基本确定隔震周期的基础上，计算分析桥梁的抗震设计性能，然后有针对性的设计结构参数，最后进行隔震的设计，确定桥梁工程的技术解决方案。为了充分发挥减震器和隔板的作用，对结构细节进行优化，并在减震器有效运行之前防止桥接现象出现。

4.3 隔震系统设计

根据该桥梁项目的设计要求，其抗震设计必须确保桥梁在中等地震中的所有构件都具有良好的弹性。在严重地震中，鉴于桥梁工程的实际情况，将三种减隔震技术（方案1、2、3 分别为滑动摩擦支座、铅橡胶支座和液体粘性隔震器）进行比较，某些潜在的塑性区域具有一定的弹性，并且结构通常是稳定的。

使用空间迭代法，对减隔震周期进行相应计算，结果见表1。由此可以看出，滑动摩擦支座减隔震技术明显弱于液体粘滞隔震和铅橡胶支座的减隔震技术，在延长桥梁结构的自然周期方面，隔震效果不佳[3]。

表1 桥梁结构固有周期结果

为了继续对两种不同的减隔震技术能耗进行比较，本文分析了在潜在塑性区的弹性状态下桥梁地震中间位置，得出了低弯矩的结果。结果表明，液体粘度隔震器和铅橡胶支座，水平地震力由桥梁的中间墩承受，并且其弹性也很好。

使用时间弹塑性历史分析方法对桥梁结构在大地震下的位移响应进行比较分析。铅橡胶支座的减震隔震器的设计要比液体粘性隔震器的设计消耗更多的地震作用力，并且其结构更加稳定，在大地震后无须更换和维护桥墩。因此，该桥梁项目选择了铅橡胶支座的最终形式。

为了提高桥梁结构适应横向位移的能力，桥梁还使用了模块化的肩部扩张装置。为了防止由于地震引起梁的位移和变形以及梁的坍塌，使用电缆式的减隔震装置[4]。

5 减隔震技术的缺陷与对策

5.1 技术缺陷

如果桥梁在建设中存在地基不稳的情况，那么在扩建时就应注意共振的问题，且其不适用减隔震技术。在进行减隔震技术施工前，要充分对其安全与适用性进行论证。依据相关规范要求，对桥梁使用减隔震技术必须具备下列条件之一：

5.1.1 减隔震设计中必须针对高频率地震波。

5.1.2 减隔震技术适用于高延展性的形状不规则桥梁。

5.1.3 设计的地角应具有高位移频率和长期低能量含量，以进行隔震。

目前，还没有对内部隔震桥装置进行过地震检查，且该设计的科学性和实用性尚待确认。另外，我国在桥梁的抗震设计中缺乏适当的设计规范和经验，特别是在这一领域，尚无规范桥梁减隔震装置效果自然性能的指导文件。

5.2 应对策略

我国应依据过往对桥梁减隔震设计与施工经验，不断完善桥梁减隔震法律法规，深入规范减隔震装置设计。同时，还要对减隔震装置在使用前进行科学的论证，在充分了解各装置适用范围的基础上，依据工程地区实际情况选择合适减隔震装置。另外，为了保证桥梁结构减隔震技术的科学性和实用性，在设计隔震桥梁之前还要先采用计算机仿真技术进行建模分析[5]。

6 结语

地震会对社会经济造成巨大损失，威胁到人们的生活安全。减隔震技术的正确应用对于保护桥梁在地震中的受力安全具有重要作用，其可以很好地消解地震力，提升桥梁自身结构安全。通过以上的论述，我们了解了不同的减隔震装置对于桥梁免受地震影响的作用。因此，前期设计阶段，我们必须将科学合理的隔震装置选择与实际工程桥梁相结合，并通过提高精确设计来不断改进桥梁的抗震性能。