公路桥梁隔震设计探讨

刘 洋

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

1 桥梁隔震设计理论

1.1 桥梁隔震设计概念

桥梁设计中的隔震设计是指在桥梁建设过程中安装隔震器，从而使得桥梁水平方向可以得到柔性的支撑，这样就可以从水平上延长其周期。同时，安装阻尼器，这样做的目的是提高桥梁的阻尼效应，在发生地震的过程中，可以强化其抗震能力，如图1 所示。在桥梁设计中强化隔震设计，可以有效分散地震后的地震力在桥梁各构件的分布情况，这样可以有效协调桥梁的平衡，弱化地震力对桥梁整体结构的影响。在设计桥梁的上部结构时，需要采取一定措施防止地震后桥梁的上下部结构超出建设的弹性范围引发结构变形。可以在设计过程中增加隔震系统，这样就能够取得较好的抗震效果，也可以在不增加工程造价的基础上提升桥梁的性能。一般情况下，为了提升桥梁的抗震能力，需要采用隔震支座，其会随着周围环境的变化而变化，但是变形幅度较小，因此在公路桥梁建设中多用于多跨连续梁桥中。在桥梁经过较大的地震之后，可以更换隔震装置，维修较为简便。

图1 隔震原理

1.2 桥梁隔震原理及分析方法

隔震设计的原理是基于抗震设计理论之上的，但是其主要目的不是抵御地震，而是尽力降低地震对于桥梁各个构造的影响，这就意味着需要在桥梁结构中增加柔性的支柱，减小变形，弱化桥梁各个构造之间的水平运行关联性，使得在地震来临之前就可以利用反应加速度的作用减小地震对于桥梁的损害。上述文中所提到的阻尼设计，如图2 所示，就可以抵御地震所持有的能量，使得桥梁上部结构稳固。隔震设计的应用主要体现在其可以最大化地消耗地震部分能量，从而延长桥梁各个部件的使用寿命。在桥梁设计中强化隔震设计，需要利用相关知识对其进行综合考量，使得桥梁每个部件都具有一定的可塑性和弹性，并通过严密的计算和设计保证隔震装置的适用性和功能的正常发挥。

例如，在桥梁设计中应用隔震技术可以避免地震后桥梁的下部结构损坏的问题。这是因为隔震设计的针对性较强，可以使得桥梁结构自身具有自我保护和抵御外部力量的能力，降低桥梁自身的延性。各种减隔震支座屈后刚度的对比可以优化隔震设计。屈服力的计算式(1)

图2 阻尼示意图

式中:μ 为支座的动摩擦系数;W 为支座的恒载反力。

在隔震设计中，需要用到两个参数，一是屈前刚度，二是屈后刚度。屈前刚度计算式(2)

式中:Δd 为设计位移。

屈后刚度的计算式(3)

式中:R 为支座的隔震半径。

通过式(1)、(2)、(3)计算，可以得出支座体系的隔震周期

式中:g 为重力加速度。

1.3 隔震设计原则

(1)需要进入建设场地进行实地考察，保证桥梁在长时间的使用中不会降低其隔震能力，并且根据考察的情况对隔震技术的使用进行探讨，确立桥梁抗震设防级别，如表1 所示，不能盲目施工，这样会降低其设计的合理性，使得桥梁自身的防御能力弱化;(2)虽然采用隔震措施，但是不表示其可以完全抵抗地震作用，需要采用其他辅助设施进行加强;再次，在选择隔震装置时，要遵循力学性能原理，使用较为简单的构造;(3)在地震中，桥梁安置的上部结构会有改变，需要在地震结束之后进行修复;(4)在隔震设计初始，需要根据当地的地质构造夯实地基，这样才能保证隔震装置的适用性。

表1 桥梁抗震设防分类

2 公路桥梁隔震设计要点

2.1 隔震装置

目前我国桥梁采用的隔震装置主要有以下几种:隔震支座、阻尼器、柔性桥墩。隔震支座在地震中作用较为显注，特别是铅芯橡胶支座。在设计过程中，应根据桥梁墩高组合和联长情况，计算桥墩的水平刚度，再选用隔震支座。地震作用下，桥墩刚度过大，则会优先被剪切破坏，特别是岸边的次边墩，墩高较小，在地震作用下最不利。在满足受力的前提下，应优先选择柔性桥墩，减小墩柱直径。但桥墩延性进行桥梁结构抗震设计时，应以减隔震设计为主，延性设计为辅，避免桥墩先于减隔震支座屈服。

2.2 重视附属构造对桥梁隔震的作用

在桥梁隔震设计中，较为常见的附属结构具有一定的合理性，可以通过对桥梁装置、限位装置对地震灾害影响的讨论得知，附属构件设计的合理程度对桥梁整体的抗震能力的高低也有影响。所以，需要相关设计人员加深对附属结构的认知，并对桥梁抗震性能进行评估。在设计附属结构时，保证细部构造的连续性，使其成为一个有机整体。

2.3 隔震方法选用

隔震装置设计是桥梁隔震设计的重点，当前很多国家使用的最为广泛的隔震方法是弹性反应谱法。在日本、美国和欧洲有着不同的类型规范，其计算公式也有差异，但是这些计算公式的应用都可以通过阻尼器的具体使用实现桥梁的抗震功能。对于结构较为复杂的桥梁，可以使用时程法进行设计。弹性反应谱法是当前隔震设计中应用较为便捷的方法之一，其自身是动态且较为完善的设计系统，只要将其带入公式进行计算，就可以了解地震对于桥梁的影响程度。

3 桥梁隔震设计实例分析

某50 m+86 m +50 m 连续梁桥，上部结构采用变高等宽预应力混凝土箱梁，跨中梁高为2.2 m，端部梁高为4.8 m;单箱四室，箱梁的顶缘宽度为24.3 m，底板宽度为19.3 m。下部结构主墩为矩形墙式薄壁墩，基础为承台桩基础，地质情况较好，均嵌入岩层中。支座在桥墩处采用铅芯橡胶支座，桥台处采用四氟式滑板橡胶支座。根据相关规范和经验选取橡胶支座参数，建立桥梁隔震计算模型，运用非线性进程分析法计算。如图3。

图3 人工地震波图

模态分析结果如下:振形图可以看出，振形和周期与采用普通支座相比，有较大的变化，在地震波的作用下，上部结构影响较小。

4 结束语

综上所述，桥梁隔震设计可以提高桥梁整体的抗震性能，提高其安全性和可靠性，延长使用寿命。在桥梁遭受地震之后，也可以通过简单的维修或者是更换隔震设备保证其使用性能。通过设置隔震支座，调整桥墩与桥台的水平刚度分配，可有效减小地震对上部结构的作用。

［1］赵青.小议市政桥梁设计中隔震设计的重要性［J］.科技创新与应用，2013，(12):11－12.

［2］赵云鹏.浅析隔震设计在市政桥梁设计中的应用［J］.城市建设理论研究，2014，(12):45－46.

［3］秦汉礼.市政桥梁设计中隔震设计的探讨［J］.城乡建设，2013，(23):90－91.

［4］黄毅，余久成.市政桥梁设计中隔震设计的探讨［J］.建筑工程技术与设计，2014，(20):77－78.