隔震设计在桥梁设计中的重要性研究

文/王玲、怀臣子

1 前言

地震对桥梁结构的巨大冲击，不仅会严重威胁人身安全，而且还会阻碍国民经济的发展。随着桥梁结构不断建设，为了减小地震作用下结构的响应，保障结构的安全可靠，在各种桥梁抗震设计方法中，隔震技术作为一种安全、经济的工程结构减震控制措施，被广泛应用于桥梁的实际工程结构抗震设计中[1]。

目前，常用的提高桥梁抗震性能的方法，一种是增加桥墩结构的强度和变形能力以改善其抗震性能，即依靠桥墩本身的塑性变形来耗散地震能量；另一种常用的方法是使用减震或隔震设计，其一方面通过摩擦或者剪切变形以达到耗散地震能量的目的，另一方面为了使桥梁结构的振动周期延长采用降低结构刚度的手段。由此，隔震设计被广泛应用于桥梁工程中。

2 隔震技术的概述

桥梁隔震技术是通过选择适当的减隔震装置，并安装布设于桥梁合适的位置，切断地震波的传播，从而降低桥梁结构在地震作用下的内力和位移，有针对性地改变桥梁结构的损伤形式，达到桥梁整体结构抗震性能的目的[2]。

2.1 隔震技术的基本原理

2.1.1 桥梁隔震装置就是指利用隔震技术消耗掉地震的地震力，避免地震的巨大破坏力损坏桥梁。通过在桥梁结构上设置隔震系统，限制地震能量传递到桥梁结构，结构地震反应的主要基本规律如图1 所示。

图1 结构对地震反应的基本规律

由图1 可知，桥梁结构的共振现象与结构的自振周期和地震的卓越周期有关。当两者接近时，会增大桥梁结构的地震响应，一定程度上破坏桥梁结构。另外，由于阻尼增大会使得地震响应减小，因此为了防止桥梁结构受地震力的影响，要在桥梁结构中设计阻尼装置，通过增加阻尼来耗散桥梁承受的地震能量；同时，由于阻尼增加，减少了桥梁结构的位移和加速度，从而防止桥梁结构受到地震能量而被破坏[3]。概括总结以下三点基本原理：

2.1.1.1 通过增加柔性支承，延长桥梁结构周期，从而降低桥梁结构的地震响应的目的。

2.1.1.2 为了限制桥梁结构位移，通过增加阻尼器来耗散地震能量。

2.1.1.3 确保在正常使用的情况下，桥梁结构具有足够的刚度。

2.2 隔震设计的分析方法

2.2.1 倒推分析法

在水平方向上，以对桥梁结构逐渐增加载荷的方式，来推动桥梁结构到达指定的位移，达到对桥梁结构非线性性能的研究目的。

2.2.2 能力谱法

基于倒推分析法，通过比对桥梁结构的加速度-位移能力谱与地震需求反应谱，实现桥梁结构抗震性能的直观判断的目的。

2.2.3 位移设计法

借助桥梁结构的强度，通过判断结构允许位移指标，达到检验桥梁隔震效果的目的。

3 隔震设计在桥梁设计中的应用

3.1 隔震设计应用原则

3.1.1 应用隔震设计，为了保护桥梁的桥墩和桥台结构不受地震损害，通过降低桥梁接收的地震响应，使得桥梁上下部结构在地震作用下隔离开来；同时，还可以调整桥梁结构的自振周期，从而使结构自振周期避开地震波的卓越周期，改善结构的地震响应。

3.1.2 通过设计桥梁隔震结构，以结构扭矩的改变在水平方向上调整桥梁刚度，以起到降低桥梁负荷的作用[4]。同时，在一定程度上对桥梁构件承受的地震力进行有效分解，防止由于地震力过大造成桥梁局部受力不均发生结构变形，在一定程度上降低了桥梁结构整体承受的载荷，避免结构整体被严重破坏。

3.1.3 隔震设计的应用可以将载荷转移至桥梁上部结构，减小或消除桥梁下部结构超载现象，降低桥墩由于载荷较大发生严重变形等问题，避免桥梁地基的检查或修复。

3.1.4 桥梁在设计时相关设计人员要充分考虑地震所带来的影响。一个良好的桥梁隔震设计能有效提升桥梁整体的性能，将地震所带给桥梁的破坏降到最低，增加桥梁的使用寿命。为了保证桥梁整体不被破坏，通过设计桥梁隔震装置，一方面使桥梁的抗震性提高，另一方面减少整体桥梁的运算成本[5]。

3.1.5 在桥梁中应用隔震设计，通过设置柔性设计的隔震装置，来减少地震带来的影响，且不给整体桥梁建设带来过多影响，确保地震发生时桥梁的可使用性。

3.2 桥梁隔震设计流程

图2 桥梁隔震设计流程图

3.2.1 方案选择

根据桥梁的整体功能、建设场地以及经济性条件确定是否需要进行隔震设计，如果需要则确定隔震设计的初步方案。

3.2.2 动力分析计算

选择计算模型，设置桥梁上部结构以及隔震层的相关参数，进行动力计算以及分析，通过动力分析计算模型检验初步方案的可行性；如果方案不可行，则重新调整相关参数进行计算分析。

3.2.3 上部结构设计

上部结构设计通常由静力作用来控制。在地震波作用下，上部结构产生较大的惯性力，该力通过支座传递给桥梁下部结构，致使下部结构产生地震破坏。

3.2.4 隔震装置设计

利用有限元模型对隔震装置进行模拟、隔震装置与桥梁结构的连接关系等。

3.2.5 下部结构设计

利用传统的抗震设计方法，计算、分析桥梁下部结构。

3.3 隔震技术在桥梁中的应用

3.3.1 在上部结构和约束构件的水平方向设置粘滞阻尼器

粘滞阻尼器是利用自身的粘性吸收地震能量，其耗能能力与其抗震性能密切相关。桥梁粘滞阻尼器的耗能原理：当地震发生时，随着桥梁结构的运动，粘滞阻尼器也跟着运动，从而使得粘滞阻尼器中的活塞和缸筒之间发生相对运动，在相对运动的过程中，地震能力通过阻尼器转化释放于外界，从而使得桥梁结构的载荷减小。

在上部结构和约束构件的水平方向（如大跨度拱桥桥面与主拱的连接处）设置粘滞阻尼器，可以减少外部激励对上部结构地震位移的影响，也可将粘滞阻尼器和隔震支座配合使用，达到多重保护桥梁主体结构的目的。

3.3.2 在墩、梁之间设置摩擦摆减隔震支座

摩擦摆减隔震支座是一种兼顾滑动摩擦耗能和动、势能转换耗能的减隔震支座，在滑动面摩擦耗能的同时，利用结构动能转化势能或相互转化来减小地震能量对结构的影响。该类型装置减隔震原理是：在地震作用下，支座剪力销剪断，支座上下部分开始沿支座摩擦面摆动，地震动能转化为上部结构的重力势能，同时在自重影响下结构可以自复位，该装置通过结构滞回耗能来保护桥梁下部结构。

3.3.3 在桥梁的上部结构中设置弹簧橡胶自复位垫块

弹簧橡胶自复位垫块是一种具有自复位能力和高阻尼性能的橡胶支座，具有一定的弹性和良好的隔震效果，通过弹性变形来吸收存储能量，对高频震动量的吸收尤为重要。在桥梁的上部结构中设置弹簧橡胶自复位垫块，一方面，凭借良好的弹性转动桥梁的梁端，能够将桥梁上部结构的反力可靠地传递给桥墩顶部以及允许热膨胀或收缩的混凝土结构，从而降低地震力对桥墩产生的载荷；另一方面，凭借较大的剪切变形阻力，满足桥梁上部结构的水平位移，同时适应桥梁变形和减少震动，提高整体桥梁的安全性能。

4 结语

由于全球气候变化等引起的地震等自然灾害的增加和对该自然灾害不确定性的扩大，越来越多的学者开始关注桥梁结构优化设计以及防止倒塌等方面的研究开发。为了提高桥梁等大型建筑物的抗震性能以及安全性，达到从外部产生的荷载中获得动力，以实现建筑物本身直接吸收地震能量的目的，隔震设计的研究开发已经应用于桥梁设计中。在桥梁设计过程中，应从隔震技术的基本原理出发，选择恰当的安装位置，利用隔震装置，减小桥梁结构的位移和动力加速度，有效提高桥梁整体结构的安全性能。