减隔震桥梁设计方法及抗震性能分析

候耀华

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

在评价桥梁稳定性的过程中抗震性能属于重要指标，为了保证桥梁结构在规定使用年限内可以满足安全性要求，需要将减隔震设计合理融入桥梁规划设计环节，在充分了解桥梁减隔震设计相关规范的基础上，合理借助多种减隔震设计手段，同时配置与桥梁结构相适宜的减隔震装置，使减隔震技术和装置形成合力，在最大程度上提升桥梁结构的抗震性能。

1 桥梁减隔震设计概述

1.1 设计原则

出于降低各种自然灾害影响的目的，桥梁必须达到足够高的结构性能，出于防止安全事故的目的，相关人员应对桥梁减隔震设计工作保持足够重视。在减隔震桥梁设计工作中应遵循以下原则：第一，针对性原则。相关人员在确定桥梁建设地址时，必须充分考虑当地实际情况，尽量避免桥梁抗震性能受到外部环境因素的影响。在原有设计经验的基础上，在桥梁设施设计区域以硬度较高的地质为佳，以此保证桥梁基础具有足够高的稳定性，防止桥梁地基受到各种灾害的影响。另外，桥梁结构不可以建设在软弱土层上，如果无法规避需要先采取适宜的措施处理软弱土层；第二，差异性原则。在传统减隔震桥梁设计中是以“同等安全度”为理念，在该理念下要求相关人员以相同的抗震性能标准设计桥梁各部件所有结构，然而与实际情况相结合可知，此设计理念在科学性方面存在一定不足，在实际使用中桥梁部件在整体上存在受力不平衡的问题，也就是说当存在不同桥梁结构时，其需要满足不同抗震需求，如果在设计中仍然遵循“同等安全度”，无法为抗震设计的实效性提供有效保障。所以，在设计减隔震桥梁时，相关人员应该在充分考虑桥梁振动周期和受力结构的基础上，有针对性地开展设计减隔震的工作，确保减隔震设计符合实际情况，高质量完成桥梁抗震设计；第三，整体性原则。为了设计出与实际抗震性能需求相符的桥梁结构，相关人员应从整体方面入手，保证各个桥梁结构在使用中承受相同的力，并且桥梁各结构都需要有效地连通桥梁主体，充分借助桥梁主体结构的支撑作用。

1.2 技术原理

桥梁减隔震技术简单理解就是借助相应支座装置帮助桥梁消除内部振动能量，使振动作用实际影响减轻，杜绝供应问题，以此使桥梁抗震性能达到更高水平。因此，在桥梁减隔震设计工作中，设计人员应在充分考虑桥梁结构特征的基础上，选用适宜的减隔震技术，进而防止外部因素破坏桥梁结构稳定的情况。在桥梁减隔震技术实际运用中，需要在严格遵守桥梁结构件质量规范的基础上选择适宜的柔性装置，利用装置阻尼降低地震波能量，减少出现结构共振的几率，可以起到保护桥梁结构的作用。借鉴原有的桥梁减隔震成功设计经验，在严格遵循桥梁建设标准的基础上，相关人员应尽量使抗震构件具有更高弹性和可塑性，并按照桥梁部位差异选择适宜的减隔震装置，同时规范落实维护桥梁主体的工作，提高其基础稳定性，使墩柱拥有更低延性，借助各种有效措施提升桥梁抗震性能。

2 桥梁减隔震设计方法

2.1 合理选择桥梁建设位置

通过分析减隔震桥梁设计原则可知，相关人员在工作过程中必须遵循因地制宜地选择，在充分考虑实际情况的基础上选择桥梁建设位置，使桥梁可达到最大化的抗震性能。在正常情况下，需要在地质强硬的区域设计减隔震桥梁，能够为桥梁的抗震性能打下坚实基础，在建设区域满足该条件时，若是桥梁无质量问题即使遇到地震灾害事故桥梁结构也能维持较好的状态。桥梁地基主要使用碎石、岩基以此保证桥梁拥有稳定的基础。

2.2 确定环境因素

在2020年《公路桥梁抗震设计规范（2020）》正式实施，在此规范中明确指出，相关人员在选择与应用桥梁减隔震技术时必须充分重视环境因素。想要满足这一要求，在实际落实设计工作前，相关人员必须对施工现场进行仔细调查，深入了解当地水文、地质、环境等方面的情况，随后针对性的设计桥梁，才能使减隔震作用充分发挥，使桥梁结构拥有更高的抗震性能，确保设计合理性和科学性。只有在满足以下环境因素条件时才可以开展桥梁减隔震设计：第一，刚性桥墩结构拥有较短的振动周期；第二，桥梁拥有不规则的高度参数，如果桥墩结构存在差异较大的高度参数，则需要有针对性地落实延伸性设计；第三，在桥梁施工区域内若是存在显著的地面地质结构运动特点，而且在一定时间内不能出现较大振动能量。

2.3 加强墩柱设计

在设计与建设桥梁的过程中墩柱结构是非常重要的内容，在桥梁结构中其能够发挥隔震、减震、支撑的作用。所以，在设计减隔震桥梁时，相关人员应对设计墩柱的工作保持充分重视，保证其拥有良好的抗震性能。首先，需要明确桥梁建设地区需要达到的抗震等级，同时结合当地震动资料进行研判，以实际结果为基础确定墩柱需要满足的各项参数要求，保证墩柱可在承受相关震动后不会出现严重变形情况，利用墩柱结构使桥梁整体拥有更高抗震性能。其次，应该合理将配筋融入到桥梁墩柱中，使用的配筋必须满足实际参数需求，在确保其符合强度要求的同时，提升墩柱配筋的稳定性，最终使桥梁拥有更加优异的抗震性能。

2.4 注重性能基础

想要使桥梁结构抗震性能得到最大程度地提升，使减隔震桥梁达到更高的设计质量，在设计中应充分重视桥梁基础性能，在实际开展设计工作时相关人员应该全面收集当地地震数据信息，掌握当地震动等级和地震程度，针对地震危害开展量化分析，然后结合分析结果明确桥梁减隔震防护范围，从而制定出更加科学合理的桥梁减隔震设计方案。另外，在基于抗震性能开展桥梁结构设计时，应保证减隔震设计要点与其他设计要素可形成一个整体，保证桥梁结构拥有优异的抗震性能。

2.5 强度设计分析

第一，强度性能设计。在现如今的减隔震桥梁设计中强度性能设计较为常见，相关人员想要通过强度性能设计提升桥梁抗震性能，必须有效开展静荷载试验，了解和掌握桥梁工程地基的承载力，然后与桥梁结构各项参数相结合明确构件强度要求和抵抗性，进而使桥梁减隔震设计达到更高质量。以强度性能设计为基础，可以有效提升桥梁结构抗震性能，拥有显著的效果，但是通过分析相关的工程数据可知，如果是在软弱地质区域建设桥梁，桥梁地基缺乏足够稳定性，即使相关人员使用强度设计方法，也没办法发挥原有的桥梁减隔震效果。所以，这种设计方式的局限性较为明显，相关人员在使用该方法时必须确保当地实际情况满足其使用需求。第二，材料延伸性设计。目前，混凝土钢结构是最常见的桥梁工程结构，也就是说在建设桥梁工程时钢金属和混凝土是最常用的材料，为了确保桥梁减隔震设计效果，使桥梁结构拥有更高的抗震性能，相关人员需规范落实施工材料延性设计。在开展材料延性设计的过程中，需模拟实际地震力情况，对各种材料延伸性能开展逐步分析，明确在试验过程中各种材料的实际表现，选择出最优的施工材料，并落实有针对性的抗震设计工作。在设计减隔震桥梁的过程中材料延性设计属于辅助性手段，可以使减隔震设计变得更加全面，促进桥梁结构与减隔震设计深度融合。

3 减隔震桥梁工程实例的抗震性能分析

某桥梁工程中相关人员决定在设计工作中使用减隔震技术，工程实际情况如表1所示。

表1 某桥梁工程概况

本工程的主要设计方案为将20 000 kN的盆式铅销橡胶隔震支座（LRB）设计在中墩处。

在开展设计工作的过程中，相关人员针对桥梁建设区域开展了检测工作，明确了相关的设计要求和地震动参数，详细情况如表2所示。

表2 某桥梁工程设计要求和地震动参数

根据上述内容可知，相关人员必须按照如下思路逐一确定铅销橡胶隔震制作的各项设计参数：以正常运行状态下的桥梁变位要求和支座竖向承载力等参数为基础，初步确定支座橡胶层厚度和面积等；以此为前提，分别计算屈服力等力学参数。组织计算和测评工作，最终确定了以下参数：1 130 mm×1 130 mm支座尺寸，161 mm橡胶层总厚度，4根180 mm直径的铅销，87 143 kN/m的初始刚度，6 987 kN/m的屈服刚度，1 068 kN屈服力。

针对没有采取减隔震设计技术的区域，使用盆式橡胶支座（PRB）作为支座。其中，桥墩、主梁都为梁单元，确保拥有固结状态的墩底，借助弹簧单元有效连接各个墩梁；针对隔震桥模式设计区域，需要使用铅销橡胶支座作为中墩支座。边墩处需完成四氟滑板支座聚拢；桥墩和主梁均采用梁单元，其他设计与常规桥模式相同。

相关人员在测评抗震性能后发现，借助LRB支承方案能够使结构的固有周期大幅度延长，对于与地震能量集中存在较远距离的频率区段，可发挥显著的隔震作用。详细参数如下：在顺桥向、横桥向PRB盆式橡胶支座结构分别可达到0.61 s和0.70 s固有周期；在顺桥向、横桥向LRB铅销橡胶支座分别可达到1.13 s和1.42 s固有周期，明显比PRB模式拥有更为优越的性能。

在E1级地震情况下，获得了如下弹性反应谱分析结果：在顺桥向和横桥向PRB支承方案均仅使用两个桥墩，桥墩主要用于承担水平地震力，致使出现远远高出弹性状态峰值的弯矩响应，相关抗震设防的标准无法得到满足；与之相比，在顺桥向和横桥向LRB支承方案都设置了四个中墩，可以满足负荷水平地震力的要求，同时桥墩始终能够维持良好的弹性，从而可有效满足抗震设防标准。在中震情况下，获得了以下墩底弯矩响应参数：在PRB方案中，顺桥向为154 728 kN·m，横桥向为111 058 kN·m，屈服弯矩为40 570 kN·m；而在RLB方案中，顺桥向为21 602 kN·m，横桥向为21 472 kN·m，屈服弯矩为34 790 kN·m。

在E2级地震情况下，获得了以下非线性时程分析结果：LRB铅销制作在桥梁整体中可代替墩底作为第一塑性区，其能够发挥耗散地震能量的作用，可以使桥墩维持良好的弹性状态，从而使桥梁设计达到抗震的设防标准。实际参数对比情况如下：在PRB方案中，梁体在顺桥向和横桥向分别拥有72.0 mm和64.5 mm位移；而在LRB方案中分别为96.2 mm和91.4 mm。墩底弯矩结果如下：在PRB方案中，顺桥向为44 679.8 kN·m，横桥向为38 610 kN·m；在LRB方案中，顺桥向为35 010.0 kN·m，横桥向为31 950.0 kN·m。通过分析对比结果可知，两种设计方案之间存在明显差异。

结合以上数据可知，在运用铅销制作后，会在很大程度上提升梁体位移情况，之所以会有这种情况出现，主要是由于铅销制作拥有“滞回”效果。在充分考虑双向地震动激励作用的基础上，在很大方向梁体会产生更大的位移。传统的伸缩装置无法满足处理相关问题的要求，极易进一步降低铅销支座的只会作用，出于避免落梁的目的，相关人员还需要设计防落梁和伸缩两种配套装置。

4 结束语

在社会经济发展过程中桥梁工程扮演着重要的角色，能够为人们运送物资和出行提供方便，工程结构稳定性对人们出行安全产生直接影响。以此，相关人员应该在充分重视桥梁安全问题的基础上，合理落实减隔震设计工作，提高桥梁工程整体结构的安全性。在实际运用减隔震技术的过程中，相关人员需要在充分考虑实际情况的基础上选择适宜的技术，充分发挥减隔震技术和抗震技术的作用，进而增加桥梁工程的可使用年限，使其运行状态变得更加稳定。