桥梁隧道设计中隔震设计的应用

陈伟

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 桥梁隧道隔震设计的重要性

隔震设计方法在桥梁隧道设计中的应用，能够减少震害产生的破坏力，有效缓解各个支座结构受害状况，保护重要基础部位；调节横向刚度，改善隧道结构扭转平衡，降低地震力；提高结构的抗震性能，降低工程项目建设投资的同时，提高桥梁隧道工程项目的安全性。将隔震支座应用于桥梁隧道设计中，能够减小温度或其他因素影响造成的形变，减小伸缩缝尺寸[1]。在桥梁隧道工程遇到较大的地震灾害时，使用隔震技术，能够保障隔震设计效果，提升桥梁隧道结构的可靠性，从而降低维修成本、缩短维修时间。

2 桥梁隧道工程震害性问题分析

在建设桥梁隧道工程过程中，震害性问题将会加剧桥梁隧道工程建设难度，严重影响工作开展，影响桥梁隧道工程整体结构性。轻则出现位移，重则造成桥梁坍塌。以下是对桥梁隧道建设中常见震害性问题的分析。

2.1 上部桥梁结构震害

常见桥梁隧道工程为上下结构，通过对接形成统一整体。上部桥梁结构出现严重震害性问题时，会对整个桥梁工程带来极为不利的影响，甚至引发碰撞性震害、位移震害等问题，严重者还会提高桥面出现裂缝的概率，导致整体桥梁混凝土结构脱落[2]。

2.2 桥梁支座震害

桥梁支座作为整个桥梁工程的总支撑，出现震害问题将有可能导致支座和桥面脱离、支座发生位移和锚固螺栓被拔出等病害。

2.3 桥梁基础以及下部结构震害

桥梁隧道工程的整体安全性受到桥梁根基与下部结构的影响，遇到地震灾害时，桥梁整体结构中的桥梁墩、桥台等部位都会受到损伤，严重时影响整个桥梁建筑的功能性。

3 桥梁隧道工程隔震设计的基本原则

其一，桥梁隧道项目在采用隔震设计方案时，其上部结构受到地震作用并不会给整体造成巨大的影响，但会出现一定的偏移问题，所以在地震发生后需要加强隔震装置的应用，以满足其使用的需要。

其二，隔震设计方案确定时，应与常规使用条件下的设计存在区别，保证满足应用要求。

其三，桥梁隧道工程地基需达到坚实度的要求，如果地基存在松软的问题，就会导致整体性能的下降。

其四，如果条件允许，可以在桥梁隧道中应用简单的结构形式，保证其力学性能达到使用的需要。

以下情况不适合使用隔震设计，主要原因如下：发生地震时，桥梁结构能够生成一定的阻尼以稀释地震能量，保证桥梁结构在地震中的稳定性；隔震设计理念在桥梁隧道工程中的应用会发生耦合性震动反应，此时就不能再应用隔震方案；桥梁下部结构的刚性相对较差，随着桥梁工程使用年限的增加，不能使用隔震设计方案。支座结构会给桥梁施加负反力，不能使用隔震设计方案。在桥梁隧道项目中应用隔震设计，上部结构受到的地震作用并不会影响整体结构，但是会出现偏移问题，所以，在地震发生后应增加隔震装置数量，保证满足实际使用需求[3]。

4 实例分析减隔震技术在桥梁结构设计中的应用

该桥梁工程中，结构设计采用变截面预应力混凝土连续桥梁形式，在结构减震设计中，根据优化原则选择采用盆式橡胶支座隔震结构，实现桥梁结构的抗震效果。

4.1 减隔震技术设计方法

首先，落实施工现场地质勘查工作，了解施工现场的水文情况、地质条件及地震发生特点等，在此基础之上优化桥梁结构，保证桥梁隔震效果满足实际需求。其次，结合已经确定的抗震方案，根据所设定的隔震周期进行桥梁结构性能分析和计算，得出桥梁结构的相关技术参数，为隔震方案的制定提供可靠依据。最后，为确保隔震效果，应重点关注抗震设计细节，避免出现桥梁屈服比隔震屈服早的现象。

4.2 减隔震系统的设计

该工程为B 桥梁形式，隔振系统设计工作的开展应遵循以下原则。

第一，桥梁结构抗震设计要满足在中震条件下其各环节各部分能够保持弹性状态。

第二，桥梁结构在遇到大地震发生时，其结构中的潜在塑性区域保持塑性条件，确保桥梁结构在地震中保持稳定。

第三，依据工程实际情况选用减隔震技术，该工程通过比对板式橡胶座、盆式橡胶支座以及铅芯橡胶支座三种方法，选择最佳减震方案[4]。

4.3 不同减隔震方案固有周期计算分析

不同减震技术在工程项目的应用效果，最终选择哪种减震技术，需要通过计算预选方案的固有周期来确定，该工程使用迭代法进行计算，通过表1数据可知，原有盆式橡胶座的减震方法在抗震过程中能够一定程度地延长结构周期，但抗震效果不及另外两种，且减震效果也未达到应用要求。

表1 不同类型减震技术的固有周期技术数据

4.4 中震反应谱分析

为了解不同减震方法的能耗情况，在桥梁中震环境下，分析潜在塑性区的弹性条件，该工程采用的是铅芯橡胶支座和板式橡胶支座方法，数据统计见表2。

表2 中震情况下墩底弯矩响应数据分析

4.5 大震弹塑性时程分析

在大震环境中根据震中桥梁结构产生的位移对其塑性进行分析，数据统计见表3。分析数据可见，铅芯橡胶支座能够更好地降低形变，结构更稳定。发生地震后，各项指标均在允许限值范围内，无需对隔震装置和桥墩进行维修。

表3 大震结构响应对比数据分析

4.6 其他减隔震结构设计

为保证桥梁结构横向变位适应能力、避免在震中发生严重的变形、预防发生落桥现象，需设置梳齿型伸缩缝，在此基础上，使用拉索式连梁结构确保项目减隔震效果达标。

5 桥梁项目中减隔震设计重点关注内容

5.1 加强结构加固设计

目前，我国大部分桥梁均采用混凝土结构，在排除自然环境、地理地质等因素的影响后，最重要影响因素是固定荷载，固定荷载的大小影响桥梁结构的稳定性。因此，为避免固定荷载对桥梁结构稳定性的影响，在设计环节就需要从多方面入手进行加固。在桥梁结构加固设计中，通常使用扩宽桥梁截面、加铺钢材等方式来实现结构加固的作用。随着工程建设新工艺新技术的发展，桥梁结构加固技术在不断完善。例如使用纤维增强材料，可以保证桥梁结构稳定性，提高桥梁综合性能[5]。

5.2 明确节点抗震设计

桥梁结构的节点在桥梁工程中发挥着承接和传递荷载的作用，作为重要的传力部件，能够将桥墩和桥梁结构有效连接起来，从而达到提升整体结构稳定性的目的。节点对桥梁结构稳定性的影响主要取决于节点的强度和刚性，主要是因为节点位置的箍筋刚性下降时，将影响整个结构的性能。因此，必须加强节点位置箍筋刚性和强度设计，以便能够进一步提升整个桥梁结构的性能。

5.3 加强细部结构设计

在桥梁隧道工程中，细部结构主要是指伸缩缝、防落梁装置以及限位装置等结构，是桥梁隧道工程中的附属结构。大量实践研究表明，细部结构的设计效果直接决定着整个桥梁隧道结构的抗震性能，与桥梁隧道工程的使用寿命息息相关。对此，施工单位需全面了解桥梁结构的隔震效果和动力响应情况。在设计桥梁桥面与支架间的连接缝时，设计人员需要把控好连接缝的尺寸，经过精密计算选择最合适的连接方式，尽量缩小缝隙，避免影响桥梁工程的整体隔震性能。同时，必须做好桥梁隔震中的细部结构设计工作，保证桥梁结构之间良好的连续性，有效提升桥梁整体结构的抗震性能[6]。

5.4 科学合理选用减隔震装置

应用科学合理的减隔震设计方案的能够提升桥梁工程的减隔震效果。铅芯橡胶隔震支座是在分层橡胶支座中加入一些铅芯，形成一种减隔震装置。因为铅芯具有良好的力学性能，可以有效结合分层橡胶支座，所以铅芯也成为适合的减震材料。铅芯橡胶支座的屈服剪应力相对偏低，但是初始剪刚度相对偏高，具有较强的弹塑性，其塑性循环还具有较强的耐疲劳性能。所以铅芯橡胶支座是桥梁结构隔震设计中应用较为广泛的隔震装置；摆式滑动摩擦支座的应用，要求设计人员在设计桥梁结构的过程中，应充分考虑如何应用摆式滑动摩擦支座提高桥梁结构的抗震安全性能。摆式滑动摩擦支座主要是结合滑动摩擦支座和钟摆概念，形成的一种减隔震装置。摆式滑动摩擦支座的滑动面是曲面，通过曲面滑动摩擦尽可能地消耗地震能量，为桥梁结构自重提供必要的自复位能量，延长桥梁结构的振动周期。

6 结语

综上所述，抗震性能是影响桥梁隧道结构的关键性因素，为确保桥梁隧道工程的整体建设质量满足正常使用需求，必须从设计环节入手，科学合理地应用隔震技术，将隔震设计理念充分融入多个层面，通过加强结构加固设计、节点抗震设计、性能抗震设计以及优选减震装置等各项措施保障隔振设计效果，为建造高质量的桥梁隧道工程项目提供可靠的保证。