基于减隔震技术在桥梁结构中的应用研究

宋文锋（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆　400042）

基于减隔震技术在桥梁结构中的应用研究

宋文锋
（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400042）

摘要：本文通过对减隔震的技术原理、减隔震装置的力学特性、桥梁结构的震害及减隔震技术在桥梁工程中的应用研究进行了系统的分析和总结，对提高桥梁整体抗震性能及使用寿命具有重要的工程意义，为桥梁结构的抗震设计提供参考。

关键词：减隔震技术；减隔震装置；力学特性；桥梁结构；应用研究

一、引言

由于破坏桥梁结构稳定的最主要因素是地震中的振动荷载，轻则使桥梁产生裂缝，地基形变、失去效用，重则使桥梁结构整体破坏，同时桥梁结构垮塌，失去交通功能的作用。根据减隔震技术原理、减隔震装置的力学特性及桥梁结构的震害分析可知，减隔震技术可以大大降低桥梁结构在地震中的破坏风险，同时在世界范围内得到广泛运用和认可。减震技术利用阻尼和耗能构件改善了桥梁结构的性能，在很大程度上损耗了地震力的能量，使地震力传送到桥梁结构的力大大减少，起到减震作用。

隔震技术具有震动周期，将变形隔离在隔震装置中，大大缓冲了荷载，减轻了震动的破坏力，同时减隔震技术除了降低振动荷载对桥梁造成的破坏反应，还能降低工程成本。

二、减隔震技术的原理及设计原则

减隔震作用的实现是通过间隔震装置来实现，这种装置可以分散地震带来的荷载作用，将桥梁结构与破坏该结构的能量隔离，并通过延长结构周期减少影响结构的地震能量，但是周期的延长也会增加结构的位移量。

对质性较软的结构而言，正常使用荷载结构很可能产生有害震动，为避免这样的情况，可以通过置入阻尼来吸收一些地震能量，保护结构。根据能量公式可知：

Ein=Eve+Ec+Ep+Ei。

式中：Ein为地震传入到结构的能量；

Eve为结构的动能与弹性势能之和；

Ec为结构的自身阻尼耗能；

Ep为结构的弹塑性变形耗能；

Ei为减隔震装置的耗能。

由于减隔震装置相比于桥梁结构能更早塑性其自身消耗了大部分地震传入的能量，从而大大减少了结构需要消耗的能量，从而达到了保护结构的作用。间隔震装置的设计需要满足以下三种原则：（1）抗震设计原则，桥梁结构在小型地震后，结构基本不会受到损害，不影响桥梁使用，桥梁结构处于弹性工作阶段；中型地震后，桥梁结构可以有一定程度的损坏，经过修复后不影响桥梁使用，结构可以保持稳定状态，处于非弹性工作阶段；大型地震后，桥梁结构的损害不至于坍塌，经过修复工作可恢复部分功能，结构处于弹塑性阶段。（2）结构优化的原则，桥梁结构需按延性设计，在适当位置设置塑性铰或构建强度设计的基础增强延性能力，保障结构的整体性。（3）以结构力学为基础，采用能力设计方法，由于受工程投资的限制，桥梁设计允许桥梁在承受地震荷载发生变形，导致构件强度不能够评价结构延性。因此，该设计方法是针对结构变形和构件所发生的应变，能有效地对桥梁结构变形进行控制，并提高结构的稳定性。

三、减隔震技术的分类

（1）粘滞阻尼器

减隔震技术主要工作原理是延长桥梁结构周期性的方法，对地震的能量进行不断的消耗和减弱，最终提高了桥梁结构的抗震性能。粘滞阻尼器作为减隔震技术中的一种，与支座减隔震设备的区别在于耗能方式的不同。粘滞阻尼器的基本工作原理是通过阻尼耗能的方式，来避免桥梁结构的不必要的耗能。粘滞阻尼器主要是依据流体运动的原理进行设计，当一种流体经过节流孔时，会在一定程度上产生一些粘滞阻力，基于此，在地震来临时，粘滞阻尼器就像一个“安全气囊”，在最大限度内对地震可能对桥梁结构造成的冲击能力进行吸收和消耗，最终保护桥梁结构的安全，最大程度的降低损失。因此，粘滞阻尼器在桥梁领域已广泛应用。

粘滞阻尼器的基本公式是：F=CVa，其中F代表阻尼力，C代表阻尼系数，a代表的速度的指数。当速度指数如果越小，阻尼器的耗能就会越大，但并不是最小的速度指数就是结构的最优状态，速度指数是需要根据实际情况进行调整的。当速度指数的数值为1时的阻尼器称为线性阻尼器；同理，当速度指数不等于1时的阻尼器称为非线性阻尼器。

（2）减隔震支座

减隔震支座主要有摆式滑动摩擦支座和铅芯橡胶隔震支座两种形式，其中摆式滑动摩擦支座的工作原理主要是利用钟摆原理和滑动摩擦原理，利用摆式滑动摩擦控制横向摆动，当滑动摩擦隔震原理是滑动结构摩擦较小时，静摩阻力可以阻止结构滑动，确保结构稳定；钟摆原理则是将钟摆结构的滑动面设计成曲面，滑动面的摩擦可以有效减损地震的能量。

铅芯橡胶支座的工作原理是将铅芯放入分层橡胶支座，二者结合缓冲震动荷载，保护桥梁结构安全，由于铅芯需要在孔中紧固，因此铅芯的体积会比中心孔的体积要大一些，导致铅芯能够稍微的挤进橡胶层中，同时铅芯具有良好的弹塑性能和屈服应力低的特点，所以具有良好的抗疲劳性能，在地震的过程中消耗一定的地震能量，确保桥梁结构安全。

四、减隔震技术在桥梁工程中的应用研究

（1）摆式滑动摩擦支座

由于摆式滑动摩擦支座的平面尺寸由于位移量和结构曲率的改变将产生一定的变化，因此，摆式滑动摩擦支座设计周期固定，在较长周期的脉冲型地震波作用下与隔震结构产生低频共振，影响其减震隔震的效果。由于摆式滑动摩擦支座的滑动为球面函数，当曲率半径R在整个滑动区域中滑动，当曲率半径随滑动区域改变时，隔震周期就会随着位移的变化而改变，可有效避免共振现象的发生。但考虑到支座的位移和滑动面的曲率，摆式滑动摩擦支座尺寸较大，空间要求高。

（2）粘滞阻尼器

粘滞阻尼器在桥梁的抗震、加固上的确具有十分显著的优越性，其优点主要体现以下两方面：

①弹塑性阻尼器和摩擦性阻尼器的屈服力或摩擦力固定不变，当桥墩的变形达到峰值，屈服力也到达这个常值，但粘滞阻尼器的力是可变的，力与桥墩的变形成反比，桥墩的变形最大，阻尼最小，趋近于零，如果阻尼器的参数为零，阻尼力达到最大，桥墩的变形最小。

②当温度改变时，弹塑性阻尼器装置和摩擦性阻尼器装置必须克服阻尼力或者摩擦力才能变形，该过程中将会对桥梁施加外力，对其结构的稳定有危害；但粘滞阻尼器温度变形时，基本不需要克服阻尼力或者摩擦力就可以自由的变形，对桥梁结构不会产生破坏，同时粘滞性阻尼器的恢复力很强，弹塑性阻尼器装置与摩擦性阻尼器装置在巨大的震动荷载下产生的形变不可自行恢复。因此粘滞性阻尼器受温度和桥墩的形变的约束并不大，有利于保障结构的安全。

（3）铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座也是一种良好的减震隔震装置，其优点是适用范围广，同时铅芯材料也具备优良的力学性能，具有较低的屈服剪应力和较高的弹塑性与抗疲劳性，因此该支座，在结构基本周期不超过1.25s时，都可以实现减震隔震效果。但它也存在一定的局限性，当结构在脉冲型地震波或场地较软时，该支座的减震水平不能充分发挥，同时产生很大水平位移。

结语

随着交通建设的快速发展，桥梁结构的安全性、耐久性变得越来越重要，因此，根据桥梁结构的力学特点，选择适合的减隔震装置，增强桥梁结构的抗震性及使用寿命具有重要的工程意义。

[1]刘延芳，叶爱君.减隔震技术在桥梁结构中的应用[J].世界地震工程，2008 （02）.

[2]王淑涛，刘兆光，胡盛.减隔震技术在人跨度预应力混凝土连续梁桥设计中的应用[J].公路，2011（07）.

[3]蒋建军，李建中，范立础.桥梁板式橡胶支座与粘滞阻尼器组合使用的减震性能研究[J].公路交通科技，2004，22 （08）：44-48.

中图分类号：U445

文献标识码：A