桥梁隔震设计研究

叶超

（中设设计集团股份有限公司，江苏南京210014）

桥梁隔震设计研究

叶超

（中设设计集团股份有限公司，江苏南京210014）

首先分析了桥梁工程震害，然后概述了桥梁隔震设计的技术原理和原则，进而详细论述了桥梁隔震设计的具体做法，以期为桥梁工程隔震设计工作的实施开展和增强桥梁整体抗震性能提供合理的参考。

桥梁结构；隔震；设计研究

0 引言

近年来的地震灾害经验表明，随着城市现代化的发展，交通网络在整个城市生命线抗震防灾系统中越来越重要。地震均给当地的交通网络造成严重的破坏，导致巨大的直接和间接经济损失。因此客观上要求桥梁抗震效能的增强与改善。桥梁设计中的隔震设计是建设桥梁过程中一个非常重要的措施，加强对隔震设计应用的研究，有利于提升桥梁工程的质量。在此期间，各国地震工作者与结构工程师对桥梁结构抗震展开了大量的研究，都在修改或制定新的桥梁抗震设计规范。主要结构抗震设计方法包括动力概念设计、强度设计、位移设计、延性设计、减隔震设计等。重视并做好桥梁设计中的隔震设计至关重要，对维护社会稳定具有重要意义。由此可见，桥梁在城市发展中的作用日益显现和提高，本文对市政桥梁设计中的防震设计进行了分析探讨[1]。

1 桥梁工程震害分析

调查与分析桥梁的震害及其产生的原因是建立正确的抗震设计方法，采取有效抗震措施的科学依据。桥梁的震害主要表现为：（1）上部结构的破坏：桥梁上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形比较少见，往往是由于桥梁结构其他部位的毁坏而导致上部结构的破坏；（2）支承连接部位的震害：桥梁支承连接部位的震害极为常见。由于支承连接部位的破坏会引起力的传递方式的变化，从而对结构其他部位的抗震产生影响，进一步加重震害。在我国海城、唐山地震中，就有不少支座破坏以及连接措施不当引起落梁的例子[2]；（3）下部结构和基础的震害：下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因。除了地基毁坏的情况，桥梁墩台和基础的震害是由于受到较大的水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起的。从大量震害实例来看，比较高柔的桥墩多为弯曲型破坏，矮粗的桥墩多为剪切型，介于两者之间的则为混合型。

通过对桥梁震害的进一步分析，可以将桥梁震害的起因分为以下几类：（1）由于砂土液化，地基下沉，岸坡滑移或开裂而引起基础的破坏，从而导致桥梁的倒塌。因此，在选择路线和桥位时，应绕避对抗震不利或危险的地段。（2）因桥梁结构形式、构造或连接措施不当而引起落梁等震害。在1994年美国的Nor t hri dge地震和1995年日本的阪神地震中,用逐跨施工法修建的连续高架桥损坏特别严重。由于这种连续高架桥的结合部常设在跨内弯矩较小处，结合部主要传递剪力，构造简单，但牛腿太短，支承面过窄，在强烈的地震竖向和水平作用下，结合部损坏，使结构处于长悬臂状态，产生断裂而塌落。这些震害给我们的启示是：一定要进行正确的概念设计，避免使用先天不良的抗震结构体系。而大量因局部构造或连接措施不当而造成的震害实例则一再告诫我们要重视构造和连接措施的设计。（3）桥梁墩柱本身抗震能力不足引起的破坏，包括强度和延性的不足。在历次大震中，大量钢筋混凝土墩柱的严重破坏主要是由于本身的抗剪强度和弯曲延性不足引起的。

总之，要重视桥梁结构动力概念设计，选择较理想的抗震结构体系；要重视延性抗震，用能力设计思想进行抗震设计；要重视支承连接部位的设计；要重视采用减、隔震措施提高结构的抗震能力。

2 桥梁设计中隔震设计的原理与原则

2.1 隔震设计原理

减震、隔震技术是简便、经济、先进的工程抗震手段。隔震设计以阻隔地震对桥梁的冲击为目的，以此来减弱地震对桥梁结构的损坏。隔震设计的基本原理是在桥梁结构中增加柔性支柱，减弱桥梁各结构之间的关联性，提高桥梁反应加速度，消耗地震携带的巨大能量，从而达到降低地震对桥梁结构的冲击与破坏目的。与桥梁设计中的阻尼设计目标相同，隔震设计亦是以最大限度消耗地震携带能量，延长构件耐久性为目标，这就要求对桥梁进行隔震设计时，要保证每个构件都具有良好的弹性和可塑性，充分考虑地震后桥梁的结构变形问题。减震是利用特制减震构件或装置，使之在强震时率先进入塑性区，产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量；而隔震则是利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构。在实践中，有时把这两种体系合二为一。结构控制理论的引入，实际上是结构减震、隔震技术的延伸与扩展。通过选择适当的减、隔震装置与设置位置，可以达到控制结构内力分布与大小的目的[3]。

2.2 隔震设计原则

为了保证延性隔震设计的安全性，必须进行抗震能力验算。目前，延性抗震验算所采用的破坏准则主要有：强度破坏准则、延性破坏准则、能量破坏准则、基于低周疲劳特征的破坏准则，以及用最大变形和滞回耗能来表达的双重指标破坏准则等。各种破坏准则均有它的适用范围。其中，强度破坏准则对于非延性破坏是实用的、有效的；延性破坏准则是目前国内外的一些规范进行延性抗震验算的主要形式；而能量破坏准则，基于低周疲劳特征的破坏准则以及双重指标破坏准则还需进一步研究才能用于桥梁的抗震设计验算。因此，对于钢筋混凝土墩柱，可以用强度破坏准则验算抗剪强度，而用延性破坏准则验算弯曲延性能力。

3 桥梁隔震设计的具体做法

在桥梁设计中，需要综合分析影响桥梁设计的因素，并选择最优的桥梁设计方案。在桥梁结构中，墩台与梁体之间一般都是由支座进行连接，支座的连接方式对桥梁本身的动力特性具有较大的影响，在两者之间加装柔性支承和能量耗散装置，能够降低桥梁结构的地震响应。弹性支座隔震体系是目前最简单的隔震方法。其中，普通板式橡胶支座构造简单、性能稳定，已在桥梁中广泛应用。普通板式橡胶支座主要是通过增大结构的周期来达到减、隔震的目的，本身并无显著的阻尼性能。因此，出现了通过特殊合成的高阻尼橡胶、铅芯、钢板等具有耗能装置的支座，具体介绍如下。

3.1 铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座是是新西兰学者在1975年发明的，是目前解决中、短跨度桥梁结构抗震问题最为简单且有效的一种方法。由于铅的屈服应力较低、滞回曲线丰满，具有良好的滞回特性。加之在变形停顿期间可以恢复原有的特性，从而使之成为一种较好的阻尼器。这种支座最为突出的特点是构造简单、制作方便、价格低廉，在很多桥梁结构抗震设计中得到了应用。铅芯橡胶支座构造简单，能够提供较大的阻尼，可以单独作为桥梁支座使用，目前在新西兰、美国、日本等国已被广泛使用。

3.2 聚四氟乙烯滑动支座

聚四氟乙烯滑动支座，也叫PTFE支座。它是一种柔性支座，主要是利用PTFE摩擦系数小的特点，将其粘贴在支座表面上，并在梁底支撑处设置不锈钢板，使其可在支座表面滑动，以满足较大横向位移的要求。这种支座在跨度较大的桥梁结构中应用比较广泛。该支座隔震的优点是对输入地震波频率特性不敏感。PTFE支座能有效地通过聚四氟乙烯和钢板间的摩擦耗能，对减小内力反应有显著的效果，而且其效果对输入地震波的频谱特性不敏感，但由于它不能提供恢复力，常常会使梁体与墩、台之间的相对位移过大。因此，PTFE支座最好能与阻尼器或防止落梁的装置配套使用。为了解决滑动隔震系统上部结构与滑动装置之间位移过大的问题，不少学者又研制了几种能提供恢复力的滑动支座，如摩擦摆支座、R-FBI支座、TASS支座等。

3.3 叠层橡胶支座

叠层橡胶支座主要是由两部分组成：即橡胶片和钢板。由于钢板对橡胶片的横向变形产生了约束作用，从而使叠层橡胶垫具有了较大的竖向刚度。同时因钢板对橡胶的剪切变形影响较小，使橡胶本身所固有的柔韧性得到了保障。相关研究结果表明，橡胶支座的力-位移滞回曲线是狭长的，在具体设计中可用线性来代替。因橡胶支座能够增强桥梁结构的柔性，这样可以进一步延长结构的周期，进而达到减震的效果。但这种支座也存在一定的不足之处，即在减小墩台受地震荷载的同时，增加了梁体与墩台间的相对位移，因此使该装置的应用受到了一定的局限。

4 结语

综上所述，震害是影响桥梁结构稳定和桥梁服务功能的严重灾害类型，由此可见，桥梁设计中隔震设计研究的重要性和必要性是显而易见的。只有对桥梁采用隔震技术，实施隔震设计，桥梁结构承载能力与抗变形能力才能得到有效提升，才能减少地震等灾害带来的损失。虽然目前我国隔震设计理论与技术研发尚不够成熟，但随着研究工作的不断进行，在隔震设计中，通过对隔震装置和相关附属构件的设计，隔震技术在实践中的不断应用，可以有效改善桥梁的受力情况，减少震害对桥梁的冲击，从而有效提升桥梁的稳定性和安全性，对便利交通和提高运输效率具有重要意义。

[1] 代晓芳.市政桥梁设计中的减隔震设计研究[J].工程技术,2015(9):81.

[2] 刘胜男,刘少飞,孙绪利.浅析隔震设计在桥梁设计中的应用[J].建筑工程技术与设计,2014(23).

[3] 左自伟,袁智.隔震设计在桥梁设计中的应用分析[J].现代工业经济和信息化,2016(7):72-73.

U442.5+5

A

1009-7716（2017）11-0088-02

2017-07-05

叶超（1985-），男，江苏镇江人，工程师，从事桥梁设计工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.025