分析桥梁设计中隔震设计的重要性

段继祖

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032)

1 桥梁抗震措施与减隔震重要性

(1)从桥梁自身入手，提高其抗震性能，如提高桩基的强度和墩身延性。

(2)采取有效的减隔震措施，当地震发生时，通过对减隔震设施的应用使从桩基不断传递到上部结构的能量不断耗散，或加装隔震装置来延长结构的自振周期，以减小地震对结构造成的作用及影响。

上述两方面在现在最常见的梁式桥中，对应下列两种体系：其一，受地震作用后，使桥梁的基础、上部结构与连接体系都免遭损伤，依然处于弹性工作范围，并利用墩身塑性铰，随着墩身发生的变形不断耗散地震带来的能量；其二，受地震作用后，在对桥梁结构位移进行严格控制的前提下，使基础和结构免遭损伤，并处于弹性工作范围，利用连接系统对地震带来的能量予以耗散。

2 桥梁设计中常用减隔震技术

2.1 高阻尼支座

对于高阻尼支座，它可以分成以下两种，其一，铅锌橡胶支座；其二，高阻尼支座。支座是对桥梁上部结构和下部结构进行连接的重要构件，支座受竖向荷载作用后依然十分坚固，并且还有很大的竖向刚度。然而，在水平方向上，往往刚度不足，较为柔软。受地震荷载作用后，支座能使结构振动周期明显增大，起到减小地震响应的重要作用。与此同时，因支座中的铅芯和钢板或橡胶和钢板存在相互作用，所以能提供一定阻尼比，使桥梁自身地震响应进一步减小。但与常用板式支座等对比，这种支座的高度相对较大，成本偏高，如果在桥梁工程中大量使用，无疑会增加建设成本。

2.2 摩擦摆支座

与常规支座有所不同，这种支座主要根据单摆的原理来设计。受地震荷载持续作用后，该支座中的限位装置将被破坏，在球形表面发生运动，使桥梁的上部结构开始单摆运动，结构所受水平方向上的力将由耐磨板和球冠之间的摩擦来传递。这样一来，可以增大结构自身振动周期，减小地震响应。另外，采用摩擦作用来耗能，还能更有效的减小地震响应。但是，因这种支座主要根据单摆的原理来设计，所以只有上部结构具有很大恒载才可以发挥理想效果。基于此，该支座目前主要使用在现浇及大跨径桥梁中。此外，对支座进行安装时，因梁底空间十分有限，所以要通过特殊设计才能将支座安装好。

2.3 弹塑性钢挡块

通过对桥梁震害的分析与研究可知，当中小跨径的桥梁使用传统板式支座时，因支座和桥梁上部结构、下部结构之间会产生一定相对位移，所以能起到一定抗震作用，使下部结构所受地震作用减小。然而，在设计中应高度重视挡块自身强度，因为如果强度不足，将在地震作用下极易破坏，严重时还会产生落梁。根据该挡块的模型可知，对挡块和常规板式支座进行连接，可利用结构自身非线性变形作用，使结构的自身周期明显增大，以此减小地震响应。另外，因挡块的设计十分灵活，受较强的地震作用后，对上部结构和下部结构产生的相对位移进行控制，能在发挥减隔震效果的基础上，保证墩身延性。

3 案例分析

某公路工程总长50 km，共有38座桥梁和4处互通立交，公路所在区域为地震活动带，地震烈度可以达到9°。本次以其中某座桥为例实施专项研究，该桥为简支结构，采用2×40 m+3×40 m+3×40 m的跨径组合，墩身高度最大可达45.3 m。以上三种减隔震技术和普通支座的结构自身周期模拟结果如表1所示。

表1 不同减隔震技术的结构自振周期模拟结果

根据表1数据可知，摩擦摆支座对应的结构自身周期比其它三种都要高。对三种减隔震技术的低阶结构自身周期进行对比，发现伴随结构连接刚度不断减小，自振周期开始增加。另外，对塑性钢挡块和普通支座进行对比，发现两者的自振周期比较接近，如果不考虑因结构位移增大使支座破坏，则采用普通支座能发挥一定减隔震效果，此时增设钢挡块，能在增加连接刚度的基础上，减小整体幅度，使结构自振周期始终处于允许的范围之内。

除了要注重不同减隔震技术的效果，还应注意结构位移，防止落梁等现象的发生。根据模型可知，高阻尼支座和摩擦摆支座都能在完成地震输入以后，使变形回到初始状态，但塑性钢挡块和普通支座的实际复位情况相对较差。根据变形时程曲线，高阻尼支座和摩擦摆支座受地震作用后，响应比较平缓，并在地震的输入完成以后，可以很快的完成自由振动。然而，高阻尼支座和摩擦摆支座与塑性钢挡块相比，在横桥向上的支座实际位移显著增加，与此同时，摩擦摆支座的纵向变形明显比其它支座大。对普通支座和塑性钢挡块进行对比，发现两者在顺桥向发生的变形基本保持一致，但通过对挡块的使用，它的横向变形比普通支座和另外两种支座都小。

桥梁结构抗震设计过程中，从整体结构角度讲，不仅要考虑结构自身最大结构，而且还要对结构内力发生的变化予以充分考虑。经过对比，顺桥向不同减隔震技术受地震作用后，受力没有太大差别。但在横桥向上，高阻尼支座与摩擦摆支座比塑性钢挡块和普通支座好。通过对塑性钢挡块和普通支座的对比，设置钢挡块以后，结构横向弯矩开始小幅增加。

4 结束语

综上所述，桥梁抗震设计的重要性已经不言而喻，无需多言，重要的是研究不同减隔震技术。以上减隔震技术各具优劣，在桥梁抗震设计过程中，应根据工程的实际情况，结合现有施工条件，选择适宜的减隔震技术，并严格按照相关规范施工，使其发挥应有的作用效果，使桥梁具有良好的抗震能力。