在桥梁结构设计中如何正确应用减隔震技术

在桥梁结构设计中如何正确应用减隔震技术作者：袁中彬高永

来源：《城市建设理论研究》2014年第10期

摘要：道路为震后灾区紧急救援的生命线通道，而对道路工程而言，地震作用对道路沿线结构物影响最大的为附着于地面的桥梁结构。减隔震技术的核心在于协调了桥梁结构地震反应中结构受力与结构位移的相互关系问题，从而可以提高桥梁结构的抗震能力，同时降低工程投资。本文重点介绍减隔震设计的基本思想及及其发展，以供业界参考。

关键词：减隔震技术，桥梁结构，应用

中图分类号：TU997 文献标识码： A

前言

目前，减隔震技术在我国桥梁工程中应用较为广泛，而业界仍旧存在对减隔震技术的基本原理、核心思想认识不够清晰的问题，导致一些桥梁设计中虽然采取了一些减隔震措施，但未能真正实现提高结构抗震能力的目的。减隔震技术的核心在于协调了桥梁结构地震反应中结构受力与结构位移的相互关系问题，从而可以提高桥梁结构的抗震能力，同时降低工程投资。本文首先介绍减隔震设计的基本思想，再介绍减隔震技术的当前发展情况，最后提出如何在工程设计中如何正确使用减隔震技术。

1 、减隔震技术的基本思想

目前减隔震技术作为一个名词已经为业界采纳，它本质上包含隔震和减震两个概念。隔震的本质和目的就是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。要达到这个目的，可通过延长结构的基本周期，避开地震能量集中的范围，从而降低结构的地震力。但通过延长结构周期以达到折减地震力，必然伴随着结构位移的增大。减震的本质和目的是将地震作用已经输入到结构中的能量通过减震支座、阻尼器等元件进行消耗，达到减小结构反应的目的，从而降低桥梁结构的破坏程度。因此，桥梁设计中采用隔震技术会带来地震下结构位移反应增大的后果，控制结构位移过大造成的构件破坏为隔震设计的核心问题；减震技术目前主要采用减震支座、阻尼器等，减震元件的刚度、耗能能力、破坏形式、可替换性等为减震设计的核心问题。

2、减隔震技术的适用条件

由减隔震技术的基本思想可以看出，减隔震技术在任何桥梁中均可以采用，问题在于如何正确理解并运用这一思想进行结构的抗震分析及抗震设计，达到提高结构抗震能力的目的。

在桥梁抗震的相关经典论述中，对提出减隔震技术不适用于软土场地，这种提法本身是错误的。对于软土场地，地基对桩基础提供的侧向刚度较低，导致桥梁结构前几阶主导振型的周

期较长，采用减隔震技术的主要方式为控制结构位移过大引起落梁的问题，可采用的技术手段有：在非固定墩安装Lock-up装置或拉索限位支座等。

对于桥墩刚性较大的桥梁，采用减隔震技术的主要方式为隔震设计。将桥梁上部结构的运动与桥墩的运动隔离开来，以延长桥梁结构前几阶主导振型的固有周期、避开反应谱曲线中地震能量较高的周期范围，达到降低桥墩结构内力响应、增加结构抗震能力的目的。

对于跨越河谷的桥梁，由于地形条件限制，纵桥向各桥墩之间高度差异较大，导致结构类型属于非规则桥。对于该种桥梁，采用减隔震技术的核心在于协调各相邻桥墩之间刚度分布不均匀的问题，避免刚度较大桥墩承担大部分地震下上部结构惯性力的问题。可采用的减隔震手段为：在刚度较大桥墩中设置竖向分隔缝、墩顶采用减震支座等，达到降低其对系统刚度贡献、减小其分担的惯性力的目的。

对于大跨索支承桥梁，采用减隔震技术的主要目的在于实现结构地震响应中力与位移的协调问题，需要针对具体情况进行单独的分析和设计。

3、减隔震装置

减隔震装置的种类繁多，目前主要分为几类：（1）减隔震支座：包括橡胶支座、球面钢支座、摩擦摆式支座、拉索限位支座等；（2）阻尼器：包括钢阻尼器，油阻尼器等；（3）速度锁定装置（Lock-up device）；（4）连梁装置：带减震防碰撞功能的伸缩缝、连梁铰链、连梁阻尼器等。下面介绍几种常用的减隔震装置供大家参考。

3.1铅芯橡胶支座

铅芯橡胶隔震支座的构成是在分层橡胶支座中加入一些铅芯，构成一种减隔震装置。由于铅芯具有良好的力学性能，能够和分层橡胶支座有效的结合起来，所以，铅芯非常适合作为减隔震材料。除此之外，铅芯橡胶支座的屈服剪应力相对偏低，但是初始剪切刚度相对偏高，弹塑性能较强，并且塑性循环具有较强的耐疲劳性能。正是因为铅芯橡胶支座具备较好的屈服强度和刚度，能够满足隔震系统的需求，因此铅芯橡胶支座是国内外桥梁结构隔震设计过程中广泛应用的隔震装置。例如，我国南疆线上的几座铁路桥就应用了铅芯橡胶支座，对于提高桥梁结构的抗震安全性能具有至关重要的作用。

3.2 非线性粘滞阻尼器

粘滞阻尼器具有其独特的优势，首先弹塑性阻尼装置或者摩擦阻尼装置的屈服力或者摩擦力是常值，在桥墩发生最大变形时，屈服力或者摩擦力常值会同时达到。但是，当阻尼器的参数为1 时，会使桥墩变形最大化，阻尼力反而是最小值，当阻尼器的参数为零时，粘滞阻尼器的阻尼力会达到最大值，桥墩的变形最小。其次，是在温度发生改变的情况下，弹塑性阻尼装置或者摩擦阻尼装置一定要克服屈服力或者摩擦力才能自由变形；在粘滞阻尼器发展蠕变的情况下，产生的抗震力几乎为零，因此，应用粘滞阻尼器是不会影响桥梁结构的使用功能。

应用粘滞阻尼器在桥梁中，一般都会将粘滞阻尼器设置在塔梁中间，加劲梁和桥边墩中间或者加劲梁和辅助墩中间的位置。例如，在我国重庆峨公岩大桥是首先应用粘滞阻尼器，并且将粘滞阻尼器设置在纵向加劲梁和桥台之间的伸缩逢中。

3.3摆式滑动摩擦支座

摆式滑动摩擦支座主要是将滑动摩擦支座和钟摆概念有效的结合起来，从而有效的构成一种减隔震装置，由于摆式滑动摩擦支座的滑动面是个曲面，通过曲面滑动摩擦尽可能的消耗地震能量，为桥梁结构自重提供必要的自复位能量，从而有效的利用钟摆机理延长桥梁结构的振动周期。由于地震位移大小以及球面曲率半径会影响到摆式滑动摩擦支座的平面尺寸，因此摆式滑动摩擦支座的平面尺寸相对较大。例如在我国苏通大桥引桥和上海长江大桥引桥上面都应用了摆式滑动摩擦支座，能够有效的提高桥梁结构的抗震安全性能。

4、采用隔震技术的好处

延性抗震设计的思想在目前国内设计界认为工程设计的主流，设计人员未能真正理解实现延性抗震的代价，导致本该采用减隔震设计思想进行设计的工程仍旧按延性设计方法进行设计。对于钢筋混凝土结构，实现延性抗震的代价是结构中形成塑性铰，也就是说结构已经发生破坏，震后需要修复和加固。而采用减隔震设计，可以避免结构的破坏或减轻结构破坏的程度。同等烈度地震作用下，若采用延性设计的桥梁震后能否使用需要进行检测评价、修复加固，而采用减隔震技术的桥梁可以做到主要受力构件完好无损，能够震后立即使用。与延性抗震设计的桥梁相比，采用减隔震技术的优势如下：

(1)可以有效协调地震下上部结构惯性力荷载在桥梁各墩、台间的分布,以充分发挥和利用桥墩、桥台的抗震能力，避免荷载集中击破单一构件，增强结构总体的抗震能力。

(2)桥梁横向宽度较宽时，结构横向刚度大，一阶侧向振型的周期较短，结构抗震需求大；对桥梁横向采取隔震措施,可有效调节结构整体的横向刚度,降低结构横向的地震反应，提高结构整体的抗震能力。

(3)可以通过设计纵向隔震系统、限位装置来减小上部结构的位移响应，避免桥墩盖梁支承宽度不足引起的落梁震害。

(4) 对于部分埋置的桥墩和桩基等础难以检查或修复的构件,采用隔震技术可以避免其发生严重的非弹性变形或破坏。

5、总结

本文在介绍减隔震设计基本思想、适用条件的基础上，简单介绍了几种常用的减隔震装置，针对不同情况的桥梁提出了如何正确使用减隔震技术的问题。由于延性抗震设计会导致桥