公路桥梁设计中抗震与减隔震技术的应用

文／南昌市公路勘察设计院 李赛 熊倚奇

关键字:公路桥梁；抗震技术；减隔震技术

1 公路桥梁抗震与减隔震概况

1.1 公路桥梁抗震

公路桥梁抗震是为了避免和减少桥梁受地震破坏而采取的措施。通常情况下设计将抗震设计重点放在公路桥梁结构自身的强度、延性和耗能能力方面，在设计中通过增加公路桥梁结构构件的强度、延性、耗能能力等来实现桥梁抗震，这种抗震的原理是利用公路桥梁结构来抵抗地震产生的力和能量，通常以加强结构抗震的薄弱环节，加强结构整体联结、加强公路桥梁支座的锚固、加强墩台及基础结构的整体性、提高结构的延性、对不良土质采取必要的加固措施、严格控制施工质量等措施，对公路桥梁结构做出改善和加强，通过延长周期、增加耗能来以实现桥梁抗震效果[1]。

1.2 公路桥梁减隔震

公路桥梁减隔震主要是通过设置一定的措施把公路桥梁结构和地基运动减弱和分割，进而有效的防止地震力对公路桥梁工程产生的影响和破坏，通常采用的措施有在公路桥梁结构承重处设置柔性支撑、公路桥梁结构的关键部位设置阻尼器等，其中柔性支撑杆会延长桥梁的振动周期，进而降低公路桥梁结构对振动的反应；阻尼器是在地震发生时降低能耗来减小结构的位移，通过以上种种手段的基本目的就是减少地震力和能力的传递，以实现公路桥梁抗震减震效果，进而保证公路交通安全运行[2]。

1.3 研究现状

上世纪七十年代，新西兰建成世界上第一座减隔震桥梁，之后减隔震技术在世界上的了快速的发展。而在中国减隔震技术起步较晚，目前减隔震技术在我国桥梁建设中得到了较为广泛的应用，例如汕头海湾二桥、江苏的苏通长江大桥、上海的卢浦大桥、江苏泰州长江大桥等桥梁中均应用了减隔震技术，但总体上来说，我国在减隔震技术方面的研究和应用还赶不上其他发达国家，目前的研究多局限于大跨径桥梁、单一减隔震支座等方面，对中小跨径、多种减隔震方案的对比研究、不同的桥型影响及适应性等方面的研究还比较欠缺，需要各位研究人员的不断研究和完善。

2 公路桥梁的震害体现形式

2.1 桥梁上部结构的破坏

在发生地震时，公路桥梁上部结构可能遭受比较严重的破坏，上部结构的破坏主要表现为结构自身的震害、位移震害以及结构构件之间的碰撞震害。最常见的属于位移破坏，包括横向位移、纵向位移、扭转位移等，桥梁结构位移过大会导致落梁破坏；结构构件之间的碰撞震害则主要指发生在简支梁的支座或桥台处的纵向破坏，容易引起桥梁端部失稳，进而造成桥梁倾斜、滑移、梁体等结构掉落、桥面坍塌等破坏；在地震作用下，桥梁结构过大的水平位移也会导致主梁发生破坏[3]。

2.2 桥梁支撑连接部位破坏

地震对桥梁支撑连接部位的破坏也不容小觑，桥梁的支撑连接部位结构往往是桥梁受力的关键部位，但相对比较薄弱，更容易导致这些结构发生破坏，一旦连接部位被破坏会造成上部结构产生较大的位移和惯性力，出现支座发生位移、支座产生塑性变形以及支座局部锚固的破坏，最终造成由已破坏的支座结构无法承受上部荷载而失稳，加重了公路桥梁工程的震害程度。

2.3 桥梁下部结构的破坏

公路桥梁的下部结构多指桥台、桥墩、系梁等由钢筋混凝土构成的结构，在地震力的作用下，这些经过通常会发生剪切破坏、弯曲破坏、弯剪混合等形式的破坏，进而造成桥梁下部结构的开裂、折断，影响桥梁工程的安全运行。桥梁的下部结构与地基紧密接触，在地震作用下受影响的程度较为强烈，一旦造成桥梁下部结构的损坏则容易引发桥梁上部结构的破坏；同时地基承载力不足或地基砂土液化导致地基丧失承载力，都会严重影响公路桥梁下部结构的稳定性与完整性，地震对桥梁结构的破坏最终造成严重的灾难，进而影响公路桥梁的正常使用。

3 公路桥梁设计中抗震技术的应用

3.1 公路桥梁抗震设计原则

在公路桥梁的抗震设计中，坚持科学原则对主要性能确认以保障公路桥梁结构韧性，提高公路桥梁工程的结构稳定性，妥善的布置抗震措施，降低地震作用对桥梁的不利影响，改善桥梁结构的抗震效果。在抗震设计中要保证公路桥梁的整体性、连续性和结构稳定性，使桥梁工程满足对振动能量的适应性、结构刚度和强度的可靠性，保证桥梁结构具有适当的延性，实现桥梁工程对地震作用的减弱和消除，提高公路桥梁设计水平，降低震害对公路桥梁工程形成的破坏。

3.2 提升桥墩结构的延性

为了实现公路桥梁工程的抗震设计目标，从桥梁抗震基本原理为出发点，通过设计人员对桥梁结构弹性反映的精准计算修正，科学合理的提升桥墩结构的延性，延长公路桥梁结构的自振周期，进而减弱桥梁的振动作用，将桥梁结构的位移形变控制在允许范围之内，减小地震作用对桥梁工程带来的不利影响，强化公路桥梁的抗震能力，妥善的应对地震灾害，为公路桥梁工程顺利运行奠定坚实的基础。

4 公路桥梁设计中减隔震技术的应用

4.1 铅芯橡胶支座的应用

铅芯橡胶支座是由叠层橡胶支座及中间的高纯度铅芯组成的减隔震设施，最早由新西兰国家发明使用，目前过我的部分桥梁也引进并使用了铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座中的叠层橡胶可以提供竖向承载力和水平恢复力，铅芯是良好的减隔震材料，具有较高的初始剪切模量和理想弹塑性能，其屈服应力约为10MPa 左右，可以利用其塑性性能吸收和耗散地震能量。铅芯橡胶支座具良好的屈服强度和刚度，同时具备减震和隔震的功效，能够满足桥梁的减隔震需求，在具体的公路桥梁设计过程中，设计人员应充分考虑有效的将铅芯橡胶支座应用于桥梁减隔震设计中，以提高桥梁工程的抗震性能。

4.2 滑动摩擦型支座的应用

滑动摩擦型支座是通过桥梁与支座滑动面之间的滑移由接触面提供摩擦阻尼，来延长桥梁结构的振动周期，最终传递给桥梁的地震力只有水平的摩阻力，滑动摩擦型支座通常采用聚四氟乙烯材料作为摩擦副，在地震作用下滑动以后支座自身没有复位的能力，需要增加设施提供恢复力进行复位。目前国内将外滑动摩擦型支座做了许多的改良，将滑动面由原来的平面改为曲面，利用滑动块在曲面内做摆钟运动，以延长桥梁结构的自振周期，同时曲面滑动面还利用桥梁结构自重获得一定的复位能力。我国的上海长江大桥引桥和苏通大桥引桥都应用了滑动摩擦型支座作为减隔震设施，有效地提高了桥梁结构的抗震安全性能。

4.3 液体粘滞阻尼器的应用

液体粘滞阻尼器是由高强度耐压缸体、活塞、活塞杆、阻尼孔和黏性液体阻尼液等构成），利用活塞两端压力差使黏性阻尼液流过阻尼孔而产生阻尼力耗散能量的过程，这种阻尼器和阻尼力峰值与结构弹性内力峰值存在相位差，当阻尼器两端的相对位移达到耕峰值时，相对运动速度和阻尼器提供的阻尼力均为零；当阻尼器两端相对位移为零时，相对运动速度和阻尼器提供的阻尼力达到最大值。液体粘滞阻尼器的独特优势不会对桥梁结构的使用和运行造成任何影响，一般情况下将阻尼器设置在塔梁中间、加劲梁和桥边墩中间、加劲梁和辅助墩中间、加劲梁和桥台中间等位置，合理的液体粘滞阻尼器的应用对提高公路桥梁工程的抗震性能具有良好的效果。

5 结束语

公路桥梁是我国的重要交通枢纽，在交通运输行业发挥重要的作用。地震作用对公路桥梁的威胁较大，一旦桥梁遭受损害，对我国社会经济的发展不利，甚至对地震灾区的救灾造成极大的阻碍。因此在公路桥梁设计中，相关人员加强对抗震与减隔震技术的研究和完善，将其融入其中桥梁设计中，利用科学恰当的抗震和减隔震措施提升桥梁工程的抗震效果，增加桥梁工程的结构稳定性，保证桥梁在地震作用下不被破坏，促进交通运输行业健康可持续发展。