桥梁设计中的隔震技术运用

桥梁设计中的隔震技术运用

王煜东

安徽省城建设计研究总院股份有限公司华南分公司

摘要：桥梁不仅关系到城市建设和交通建设，一旦发生意外或者事故，还会牵连到国家利益、社会利益以及人民群众的利益，这都是由其所具备的公共属性所决定的。桥梁的隔震设计无疑是桥梁工程的重中之重，因为它不仅关系到桥梁的寿命和使用性，还关系到公共安全和利益。本文从当前的减震抗震基本原理以及隔震设计方面展开分析，从而充分的了解抗震设计对于桥梁结构设计的影响，希望可以全面提升结构的抗震性能，为我国桥梁工程的提升起到更加积极的作用。

关键词：桥梁设计；隔震设计；技术运用

前言

近年来，隔震设计技术作为一种应用广泛的结构技术在桥梁工程设计与施工中发挥了关键而重要的作用。目前，我国已有上千座减隔震桥梁。同传统的抗震设计相比，隔震设计具有多方面的优势和优点，值得深入推广与研究。地震一旦发生之后就会给社会造成巨大的影响，同时还会产生较大的经济损失，所以在桥梁设计中应该加强结构设计，充分合理地运用的抗震分析基础理论，全面提升桥梁的安全性和使用寿命。

1 隔震设计原理

桥梁结构设计中，抗震设计可能会需要增大结构尺寸或重量，不利于桥梁结构地功能性的实现。隔震设计主要是在上部结构和墩台之间设定隔震层，使地震能量向上传达时被削减，使结构受到地震的影响时免于出现重大损坏。在具体应用中，为了可以使得桥梁的结构设计达到隔震的效果，一是通过增加结构的阻尼，来减少地震引起的位移反应，二是通过延长结构的资政周期来减小结构的加速度反应，从而减小结构由于地震所产生的地震荷载。

2 隔震装置的分类

目前所常用的隔震装置主要有两种，其一就是阻尼器，其可以通过使用阻尼器来减少震动对桥梁造成的影响，进而可以使得整个桥梁结构更加的安全稳定运行；其二是隔震支座，该类支座在桥梁工程中，可以吸收耗散地震产生的能量同时，调整桥梁结构整体和局部的刚度分布，使得地震效应分布更合理，降低结构的地震响应，但也会增大梁体位移，应补充相应的位移限制构造。虽然这两种装置都具有较强的隔震性能，在具体应用中还需要根据实际情况来选择合理的方式来提升隔震效果，以满足桥梁稳定性的需要。

2.1粘滞阻尼器

粘滞阻尼器的应用对于降低地震所产生的震动影响有着非常重要的作用，目前很多的设计人员都在全面的应用该技术来提升抗震性能，以满足人们对于桥梁稳定性的需要。

粘滞阻尼器具有稳定的滞回耗能能力，在温度效应、混凝土收缩和徐变下不产生阻尼力。粘滞阻尼器一般由缸体、导杆、活塞、阻尼孔和粘滞流体阻尼材料等部分组成。当粘滞阻尼器受到往复动荷载作用时，活塞在缸筒内作往复运动，活塞前后形成的压力差使粘滞流体阻尼材料从阻尼孔里通过，形成阻尼力，从而实现阻尼耗能。

2.2摩擦摆支座

摩擦摆减隔震理念是在 1985 年由美国地震保护体系公司提出，摩擦摆支座通过支座水平运动时重力的竖向提升，将动能转化成为势能，消耗地震能量。摩擦摆支座最大的特点是利用圆弧面巧妙的设计，使支座在上部结构的自重作用下可以自动恢复，从而可以有效地限制隔震支座的位移，增加了隔震装置的可靠度和稳定性。此外，可以通过调整摩擦摆 支座的结构尺寸来控制结构隔震周期。

摩擦摆减隔震支座有两个关键的参数，与刚度和周期有关的凹面曲率半径和与摩擦力有关的摩擦系数。当加载在支座上的水平荷载小于摩擦力时，结构的整个运动形式与设有普通支座时一样，发挥不了隔震支座的作用。一经水平荷载超过摩擦力或限位螺栓极限剪力时，隔震支座就开始发挥其隔震作用，结构运动周期发生变化，耗散结构运动的能量。摩擦摆隔震技术为桥梁结构抗震设计和抗震加固开辟了全新的理念，研究人员和工程设计人员对其的关注和青睐与日俱增。

2.3铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座是通过在板式橡胶支座中心插入铅棒而形成。铅芯因具有理想的弹塑性耗能性能，可明显改善橡胶支座的阻尼性能。同时，金属铅初始剪切刚度较高，提高了橡胶支座的初始刚度，减小了低荷载水平下橡胶支座的变形。

铅芯容易发生屈服，所以铅芯橡胶支座从地震能量较小时就开始产生作用。此外，铅芯强度和阻尼都较高，增强了结构耗能能力，也增加了对外力的抵抗作用。以作为独立的减隔震措施对结构进行作用，这样避免了与别的减隔震装置一起使用时发生冲突。

当地震力作用在支座上，内部铅芯部分开始屈服，铅芯的屈服使得结构本身的强度减弱，从而结构周期相对增加，周期的变长能减缓结构的地震响应；铅芯发生屈服产生弹塑性范围内的变形，铅芯的变形过程也是一个耗散吸收地震能量的过程，所以铅芯橡胶支座在结构中应用具有减震的功能效果。铅芯部分是支座的核心部分，铅芯的个数和尺寸大小不同，产生的减震效果会有很大的差异。根据工程当地特性和结构的设计特点，选择不同型号的铅芯橡胶支座，可以达到理想的减震效果。

3隔震设计的主要内容

隔震设计的主要目标是调整结构刚度分布，耗散地震能量，减轻震害对桥梁结构的冲击作用，提升桥梁的抗震性能。隔震技术的实现途径主要有以下几个方面:

（1）增加桥梁结构阻尼。通过增加桥梁的阻尼装置设置，使桥梁的在瞬时作用下变形的整体阻力有所增加，在发生灾害时，桥梁能快速耗散地震作用传递的能量，减少地震作用的影响。

（2）改变桥梁结构的自振周期，减少桥梁结构的地震响应，避免与地震周期耦合。

（3）调整桥梁结构的刚度分布。可以使用不同刚度和尺寸的隔震支座，调整各个墩柱的刚度分布，使桥梁结构各部分承担的地震作用更合理，达到保护桥梁结构的目的。

4桥梁结构设计中的实际应用

某桥梁施工项目建设于2020年，在建设时就选择使用的隔震设计理念，主体为钢结构，采用三跨连续梁的形式，墩高为11m，隔震装置为铅芯橡胶支座。该桥梁在未应用隔震装置且所有支座都铰接的情况下，其顺桥向周期时间为0.3s，选择应用铅芯橡胶支座的隔震设计之后，可以将顺桥向基本周期提升0.6s。通过隔震设计不仅可以降低地震产生的效应，还可以通过调整支座的刚度，尺寸等调整全桥的刚度分布，以减小甚至避免地震对结构的损伤。

5总结

经过四五十年的发展，减隔震技术已广泛应用于各类桥梁结构中。但正如前面所述, 并非所情况都适合采用减隔震技术,对于不同的场地条件、不同的地震波, 各种减隔震装置的减震效果也不一样。时效及环境效应对支座力学特性的影响也起着至关重要的作用。此外还应该重视减隔震设计中的构造细节，注意支座变形能力和设计位移与间隙大小的合理匹配，避免因变形空间受限造成桥梁地震响应过大。

参考文献

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[4]徐慧莹，步启军，韩强.铅芯橡胶支座桥梁隔震试验研究现状及展望[J].路基工程.2017，（01）.