减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析

朱小萍

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西 抚州 344000）

0 引言

抗震性能是反映桥梁结构稳定性的重要能力，为确保桥梁结构能够在既定使用年限内安全性通行，需在桥梁规划设计阶段做好减隔震设计，在掌握桥梁减隔震设计原则及抗震原理基础上，合理应用各类减隔震技术手段，同时根据桥梁结构特征合理引入减隔震装置，在减隔震技术与装置的协同作用下，尽可能提升桥梁结构的抗震性能。

1 桥梁减隔震设计原则及抗震原理

1.1 设计原则

地震等自然灾害对桥梁结构性能提出了较高要求，为避免安全事故的发生，应重视桥梁减隔震设计工作。减隔震桥梁设计期间应注意以下原则：一是因地制宜原则。桥梁结构应根据当地实际情况科学选址，降低外部环境因素对桥梁抗震性能的影响。结合以往设计经验，需将桥梁设施优先设计在地质坚硬的区域，保障桥梁基础稳定性，削弱地震灾害对桥梁地基的干扰程度。此外，不可在软弱土层上建设桥梁结构，若无法规避则需做好软弱土层处理。二是差异性原则。“同等安全度”是桥梁传统减隔震设计理念，该理念要求桥梁各部位所有结构均按照同等抗震性能标准进行设计，但在实际设计情况来看，该设计理念科学性不足，桥梁各部位结构的受力存在差异，导致不同桥梁结构的抗震需求不同，若按照“同等安全度”理念展开设计，难以保证抗震设计实效，因此，在桥梁减隔震设计过程中，应以桥梁受力结构及振动周期为依据，差异化展开减隔震设计，以此提升减隔震设计针对性，保障桥梁抗震设计效果。三是整体性原则。为确保所设计的桥梁结构具有良好抗震性能，需确保桥梁各结构均处于受力均衡状态，并要求各结构均与桥梁主体结构保持良好联通性，借助桥梁主体结构支撑效果而保障其抗震性能。因此，在减隔震桥梁设计过程中，应优先选用硬质材料建设桥梁主体，主体部分不可进行拼接装配设计，以此避免引发共振现象，杜绝桥梁塌陷隐患[1]。

1.2 抗震原理

桥梁减隔震技术借助各类支座装置消除桥梁内部震动能量，削弱震动的效果，防治共振现象，以此提升桥梁抗震性能。因此，在桥梁减隔震设计过程中，要求设计人员根据桥梁结构特征合理选用减隔震技术，尽可能规避外部因素对桥梁结构稳定性的影响。桥梁减隔震技术在应用期间，需依据桥梁结构件质量条件合理选用柔性装置，借助装置阻尼削弱地震波能量，防止地震波引发结构共振而破坏桥梁结构。结合以往桥梁减隔震设计经验，应基于桥梁建设标准选用弹性优异、可塑性良好的抗震构件，并根据桥梁部位差异合理引入各类减隔震装置，同时做好桥梁主体的维护工作，增强基础稳定性，降低墩柱延性，采取多元化措施最大限度地提升桥梁抗震性能。

2 桥梁减隔震设计方法

2.1 桥梁科学选址

结合上述桥梁减隔震设计原则可见，需以因地制宜为原则，立足当地实际情况合理选择桥梁地址，防止外部地质条件影响桥梁抗震性能。通常情况下，需将减隔震桥梁设计在地质坚硬区域，为桥梁结构提供强有力的基础，在该地质区域条件下，使桥梁结构在地震灾害事故发生时仍可保持良好状态、不会塌陷。桥梁地基应以基岩、碎石为主，以此保障桥梁基础稳定性，若条件受限，需于软弱土层区域建设桥梁结构，需根据当地实际情况加固地基，确保地基在一定震动条件下仍可维持原状，在高度稳定地基的支撑下，提升桥梁抗震设计效果。

2.2 明确环境因素

《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）于2020年正式实施，该规范条例中明确指出了环境因素是桥梁减隔震技术选择与应用的先决条件。这就要求桥梁减隔震设计之前，需做好施工现场勘探工作，综合考量桥梁结构现场施工区域范围内的自然地质条件，只有基于当地现状展开桥梁设计，方可保障减隔震效果，提高桥梁结构抗震性能，防止设计偏差问题的发生。桥梁减隔震设计应满足以下环境因素条件：一是刚性桥墩结构所产生的振动周期相对较短；二是桥梁高度参数呈现出不规则特征，若桥墩结构高度参数差异较大，需做好延伸性设计；三是桥梁施工范围内地面地质结构具有明显的运动特性，且在一定周期内不会产生较大震动能量。若桥梁满足上述条件则需开展减隔震设计。对不适用减隔震技术的桥梁结构进行总结，具体如下：一是桥梁场地在特定地震条件下存在失效可能；二是桥梁振动周期相对较长，下部结构刚度较小；三是桥梁地处软弱土层，若振动周期适当延长可引发共振现象，存在该现象则难以保障桥梁减隔震设计效果。若桥梁结构存在以上三类情况，则需慎用减隔震技术。由此可见，减隔震桥梁在设计之初，需对桥梁所在区域的地质自然环境因素进行调查并梳理，防止出现减隔震无效设计的情况[2]。

2.3 强化墩柱设计

墩柱结构在桥梁设计与建设中扮演着重要角色，能够对桥梁结构起到支撑、减震、隔震效果，因此，在减隔震桥梁设计过程中，应重视墩柱结构的设计工作，做好抗震设计。第一，依据桥梁结构所在区域地震等级数据信息，分析判断当地震动强度，以此为依据确定墩柱参数，确保墩柱结构面对大部分震动情况时仍可保持优异承载性能，通过优化设计墩柱结构保障桥梁整体抗震性能。第二，对桥梁墩柱配筋质量加强管控，根据当地实际情况确定桥梁抗震设计等级后合理选择配筋材料参数，确保墩柱配筋强度可满足桥梁结构承载力，继而促进墩柱配筋稳定性的提升，有效增强桥梁抗震效果。

2.4 防范梁落现象

在桥梁减隔震设计过程中，应注意规避梁落问题。地震自然灾害发生时伴随着剧烈震动，并发出震动波能量，震动波将沿桥梁结构逐渐传播蔓延，最终引发桥梁结构移位、塌陷问题，不仅影响着车辆通行效果，甚至引发安全事故，因此，必须加强对梁落问题的重视，采取一定减隔震设计措施加以规避。在实际桥梁设计过程中，主要通过强化桥梁结构连接质量的形式进行优化设计，增强桥梁震动弹性，使桥梁结构可在特定范围内允许移位，防止梁落事故的发生。除此之外，若桥梁主体结构与墩台结构之间存在较大缝隙，同样可引发梁落问题，针对这一问题，应在建隔震桥梁设计过程中不断加固尚未连续的结构部分，并对已连接的结构位置进行强化，有效预防梁落事故的出现。

2.5 强化性能基础

为最大限度地提升桥梁结构抗震性能，增强减隔震桥梁设计实效，应做好桥梁基础性能强化设计，在设计期间整理当地地震数据信息，了解当地地震程度及震动等级，采用量化处理方式分析地震危害，以此为依据确定桥梁减隔震防护范围，以此针对性地提出桥梁减隔震设计方案。以抗震性能为核心设计桥梁结构时，需确保减隔震设计要点与其他设计要素相互配合，在多结构的共同作用下实现优异的桥梁抗震性能。

2.6 强度延性设计

第一，强度性能设计。该设计方式在现阶段减隔震桥梁设计过程中较为常用，通过强度性能设计增强桥梁抗震性能时，需组织静荷载测试，检测桥梁工程地基承载力情况，后依据桥梁结构实际情况确定构件抵抗性及强度要求，提升桥梁减隔震设计效果。基于强度性能设计，桥梁结构可有效保障其抗震性能，效果显著，但结合实践设计情况来看，若桥梁地处软弱地质区域，地基稳定性不足，则强度设计方法无法表现出良好的桥梁减隔震效果，因此，该设计方式存在局限性，设计人员需基于当地实际情况判断是否可选用该设计办法。

第二，材料延性设计。现阶段大多数桥梁工程项目来为混凝土钢结构，如钢索结构、支座结构、桥梁结构等，混凝土及钢金属是桥梁施工建设中最常用的材料，为保障桥梁减隔震设计效果，增强桥梁结构抗震性能，需做好桥梁施工材料的延性设计。材料延性设计期间需对地震力进行模拟，逐步分析测算各种材料的延伸性效果，综合对比模拟试验中各材料的表现情况，以此为依据展开抗震设计。材料延性设计在减隔震桥梁设计中属于辅助性手段，极大提升了减隔震设计的全面性，可使减隔震设计良好融入桥梁结构的各个方面[3]。

3 桥梁减隔震装置及其性能分析

3.1 分层橡胶支座

现阶段桥梁结构中常用的减隔震装置多为支座结构，根据材料的不同将减隔震支座划分为不同类型。分层橡胶支座由薄质钢板、橡胶片的交替布置而成，该支座结构灵活，可根据桥梁实际情况确定支座平面形状，其中矩形、圆形平面较为常用。在减隔震桥梁设计过程中，应注意把控分层橡胶支座结构的阻尼性能及水平刚度，当桥梁结构遭受震动时，将会带动橡胶支座板面区域发生位移，橡胶支座出现形变现象后，在阻尼作用下将会消耗地震所造成的地震波能量。若桥梁减隔震设计中应用天然橡胶作为材料制作支座结构，该天然橡胶支座所形成的阻尼效果处于5%～10%范围内。结合实践应用情况来看，分层橡胶支座所形成的减隔震效果相对较小，为进一步加强减隔震设计效果，可在应用分层橡胶支座基础上设计阻尼器，在两者共同作用下最大限度地保障桥梁抗震性能。

3.2 铅芯橡胶支座

相较分层橡胶支座，铅芯橡胶支座于中心位置增设了铅芯结构，铅芯纯度较高，可有效提升减隔震支座装置的阻尼性能，继而大幅度提升桥梁减隔震设计效果。铅芯结构屈服剪力参数为10MPa，但铅芯结构的初始剪切刚度最高可达130MPa，力学性能优异，此外，该减隔震支座装置具备良好的弹塑性能力，可满足桥梁抗震设计中的静力荷载、顺应耗能要求。由此可见，铅芯橡胶支座的减隔震性能优异，可满足桥梁抗震设计需求，该支座装置凭借自身优异性能，有效保障桥梁结构的使用寿命，削弱地震能量波带来的连锁反应，使地震震动难以破坏桥梁结构。铅芯橡胶支座属于典型的高阻尼支座，在橡胶与铅芯结构的双重作用下，可形成高质量减隔震效果，对桥梁结构形成良好保护，防止桥梁结构被破坏，但在减隔震桥梁设计中，铅芯橡胶支座减隔震装置的应用频率相对较低，产生该现象的原因为铅芯结构成本较高，因此，桥梁工程项目为有效控制成本造价而优先选用其他减隔震装置。

3.3 黏滞阻尼器

黏滞阻尼器从本质上来看为耗能装置，该减隔震装置依靠液体黏性形成阻尼效果，凭借其优异阻尼性能消耗地震能量波，以此削弱地震自然灾害对桥梁结构的破坏效果。黏滞阻尼器由缸筒、导杆、活塞构成，地震发生时，缸筒内活塞结构随之展开相对运动，黏滞流体在缸筒内流动，形成阻尼，并在此过程中消耗地震能量，保护结构，实现桥梁减震。结合实践来看，黏滞阻尼器多被设计在桥梁地基梁结构上，可有效规避桥墩变形问题，继而形成优异抗震效果。

3.4 摆式摩擦支座

摆式摩擦支座同样为桥梁抗震设计中常用的减隔震装置，其结构如图1所示。摆式摩擦支座装置以钟摆原理为依据实现桥梁减隔震效果，支座球面呈钟摆状运动，凭借该方式延长了支座结构的运动周期，由此形成优异的隔震效果。摆式摩擦支座在运行滑动过程中有摩擦现象发生，凭借该摩擦效果起到减震作用，削弱桥梁结构的震动效果。该减震装置呈弧状滑动，并进入单摆运动状态，依靠单摆运动将水平向力充分传输，增大了桥梁自振周期。在该运动周期下，桥梁结构振动周期得到了有效延长，使地震波冲击力得到了良好缓冲，极大削弱了地震对桥梁结构的影响，保障了桥梁抗震性能。结合实践应用情况来看，该支座装置无法规避地震所引发的桥梁结构移位问题，而桥梁结构磨损会损伤摆式摩擦支座平面，因此，为确保摆式摩擦支座能够始终发挥出优异的减隔震效果，需定期维护保养。

图1 摆式摩擦支座

4 结语

综上所述，为确保桥梁减隔震设计实效，应在设计期间做好桥梁的选址工作，根据桥梁结构特征合理选择减隔震方法，在正式开展设计工作之前全面调查桥梁结构所处环境，强化墩柱设计，注意防范梁落问题，同时做好强度设计、延性设计与基础设计。此外，从分层橡胶支座、铅芯橡胶支座、黏滞阻尼器、摆式摩擦支座等减隔震装置中合理选择，借助减隔震装置结构提升桥梁抗震设计。