李慧、覃佳

（聊城市公路勘測設(shè)計院，山東聊城252000）

0 引言

橋梁建設(shè)是公路建設(shè)中一個非常重要的組成部分，具有投資大、工期長、建筑質(zhì)量要求高等特點，因此首先確保橋梁具有強大的抗震能力。橋梁隔震層的施工可以顯著降低橋梁結(jié)構(gòu)的反加速度，提高橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼，延長橋梁的使用壽命，對橋梁的穩(wěn)定性和隔震性能有很大的影響，因此做好橋梁隔聲墻的設(shè)計非常重要。

1 橋梁工程震害分析

橋梁頂層結(jié)構(gòu)在地震作用下，會引起結(jié)構(gòu)震害、碰撞震害、位移震害、橋梁倒塌、橋梁位移等。汶川大地震后，經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大橋有位移，最大位移達21cm。支座震害形式以位移、錨栓抽出、可移動支架脫落為主。汶川大地震中，部分橋梁發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，如剪切變形、隆起等。綜合地震影響分析和汶川橋梁震害研究情況，推測全線有177 個橋墩受到地震破壞，嚴(yán)重影響了橋梁的功能和安全。

2 橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的目的及原理

2.1 設(shè)計目的

在橋梁施工中，阻尼器的選擇是非常重要的，可以改善橋梁的阻尼，并在地震中進一步改善分裂。支撐部件之間的地震荷載分布、橋梁主要部件的保護以及通過橋梁結(jié)構(gòu)的通道，為了維持和保護橋梁的整體穩(wěn)定性，在橋梁施工中增加了隔震施工，并通過調(diào)整橋梁的橫向剛度來改善橋梁結(jié)構(gòu)，減少地震對整個橋梁結(jié)構(gòu)的損害。因此，在城市交通快速發(fā)展的今天，考慮橋梁的隔震性能對提高橋梁的施工質(zhì)量起著積極的作用。

2.2 設(shè)計原理

在橋梁建設(shè)中，隔震作為一種新的發(fā)展形式，仍然是未來橋梁發(fā)展的重要趨勢。隔震在橋梁建設(shè)中的作用體現(xiàn)在地震后減小橋梁的受力程度、保護橋梁結(jié)構(gòu)、提高橋梁的抗震性能。從社會實踐中的經(jīng)驗來看，由于結(jié)構(gòu)的抗震特性，使其響應(yīng)加速度比地表要低，從而可以減少損傷。在常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對橋梁的整體強度、變形能力進行調(diào)節(jié)，對地震作用的影響并不顯著。然而，在橋梁工程中，若能充分利用隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，就必須采用隔震設(shè)備，以保證各結(jié)構(gòu)構(gòu)件與水平地面之間存在某種程度的對應(yīng)關(guān)系，從而避免發(fā)生地震后的主要結(jié)構(gòu)損傷[1]。

3 公路橋梁進行隔震設(shè)計的優(yōu)勢和重要性

我國橋梁的設(shè)計目標(biāo)是確保地震后的正常使用，不會造成破壞或輕微的損傷，整體結(jié)構(gòu)仍具有一定的彈性；地震后雖有一些損傷，但只要修理好，一般能在短期內(nèi)繼續(xù)使用，并且整體不受影響；地震后受損嚴(yán)重，但整體不會受損，該結(jié)構(gòu)在修補后能正常通過，整體結(jié)構(gòu)為彈性變形。

為了使結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來考慮，因此研制出一種穩(wěn)定、可靠的減振器及配套設(shè)備是十分必要的。通常，在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須對彈性響應(yīng)頻譜進行優(yōu)化，并進行科學(xué)的受力影響進行科學(xué)的控制。橋梁是城市危機管理體系的重要組成部分，是一種重要的公共資源，地震橋梁更是一種具有重大意義的公共危機管理體系，它可以降低社會經(jīng)濟的損失，并對國家的經(jīng)濟發(fā)展起到積極的作用。

3.1 公路橋梁進行隔震設(shè)計的重要性

在公路橋梁施工中，隔震結(jié)構(gòu)是指在橋梁施工階段安裝減震器，使橋梁結(jié)構(gòu)能夠在水平方向上得到柔性支撐，并有效地延長結(jié)構(gòu)在水平方向上的周期。此外，在發(fā)生地震時，還必須在公路橋梁施工中安裝阻尼器，以有效提高其阻尼效果，盡量減少地震的影響。近年來，歐美國家在高速公路橋梁抗震研究方面取得了很大進展，我國還處于發(fā)展的初級階段，研究還不夠全面和系統(tǒng)，主要是在借鑒國外的研究成果和經(jīng)驗[2]。

3.2 公路橋梁進行隔震設(shè)計的優(yōu)勢

如果在橋梁設(shè)計中進行隔震設(shè)計，可以更好地分解和改善不同結(jié)構(gòu)支撐柱之間的地震力分布，有效地保護橋梁主體，穩(wěn)定橋梁頂部。公路橋梁設(shè)計中的隔震性能可以有效地調(diào)節(jié)橋梁的橫向剛度，防止橋梁結(jié)構(gòu)的平衡變化。在橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震設(shè)計可以有效避免地震后橋梁下部結(jié)構(gòu)的問題，確保部分橋梁不易變形。在隔震設(shè)計中，施工成本不增加、抗震性能較好，工程質(zhì)量可以得到較好的保證。防震支架是最常用的防震裝置。在正常使用中，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形或外界環(huán)境溫度變化時，抗震支撐非常小，便于減少橋梁施工過程中的變形。因此，即使發(fā)生大地震，也可以更加方便地維護橋梁，修復(fù)橋梁的成本將非常低，還可以快速更換隔震設(shè)計和裝置[3]。

4 隔震裝置的類型與應(yīng)用

傳統(tǒng)抗震設(shè)計逐漸被淘汰，新的隔震技術(shù)根據(jù)應(yīng)用類型和用途可分為以下幾類：一是利用高成本設(shè)備抵消橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震能量，以減少不可避免的損壞，如粘滯阻尼器；二是在橋梁設(shè)計過程中盡可能延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，如果再次配置隔震裝置來中和地震能量，抗震性能可以大大提高。

4.1 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器的作用原理是基于流體的運動，特別是流體通過孔口產(chǎn)生粘滯阻力時產(chǎn)生的阻尼力和能量。粘滯阻尼器的應(yīng)用相當(dāng)于在橋梁結(jié)構(gòu)中安裝了“安全氣囊”，該方法能夠最大程度地吸收和抵消地震對結(jié)構(gòu)的沖擊能量，并使其在地震作用下的損傷程度大大降低。另外，采用JZN 系列低黏性系數(shù)硅油作為粘滯阻尼材料，其性能穩(wěn)定、抗輻射性能良好，延長了其使用壽命。另外，粘滯減振效果最好的是粘滯反向減振，能更好地控制結(jié)構(gòu)的變形[4]。

4.2 擺式滑動摩擦支座

4.2.1 應(yīng)用

擺式滑動摩擦支座的基本功能原理是通過表面產(chǎn)生的滑動摩擦來中和地震能量，結(jié)構(gòu)自振周期的延長按阻尼方向劃分為球體，圓柱分為兩類：第一類結(jié)構(gòu)水平雙向隔震，第二類結(jié)構(gòu)水平單向隔震。

4.2.2 地震波對支座的影響

在大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)中，滑動摩擦支座可以達到預(yù)期的效果，但為了應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，必須考慮高頻脈沖地震的影響。設(shè)計中應(yīng)選用滑動摩擦支座結(jié)構(gòu)。首先，應(yīng)分析支架的長度尺寸；其次，在大多數(shù)施工現(xiàn)場，使用滑動摩擦支座可以達到預(yù)期的效果，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件相對較軟時，抗震防震裝置的效果較差；最后，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計采用板式橡膠支座是目前最好的結(jié)構(gòu)形式，但實際效果不如滑動摩擦支座，這將對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響[5]。

4.3 鉛芯橡膠支座的應(yīng)用

鉛芯橡膠支座的主要作用原理是在疊層橡膠支座中插入一系列鉛芯，形成緊湊型減震器，鉛芯具有良好的力學(xué)性能，可與橡膠支座有效結(jié)合，這是目前國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的一種。高純鉛具有較高的剛度與強度，有利于應(yīng)對大型地震對橋梁結(jié)構(gòu)的快速沖擊，因此鉛芯橡膠支座也是國內(nèi)外良好的抗震技術(shù)。

5 橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計應(yīng)注意的問題分析

在修建隔震橋梁時，主管人員要保證橋梁的構(gòu)造和隔震層的一致性。為了適應(yīng)地震的水平作用，橋梁隔震時必須考慮隔震層的橫向剛度，主要是因為長距離的戶外作業(yè)，在自然環(huán)境中會遇到諸如暴風(fēng)雨、地面劇烈振動等自然天氣狀況。在某些特定條件下，首先確保橋梁的隔震層足夠大，才能使其避免對重要結(jié)構(gòu)的重大損傷；其次，嚴(yán)格按施工規(guī)范，對橋梁的橫向剛性中心位置和上部保溫結(jié)構(gòu)的重心進行檢測，并安排專門的技術(shù)人員對防震設(shè)備進行縱向剛性及自動調(diào)整，以保證其工作正常。

6 公路橋梁設(shè)計中的隔震設(shè)計要點

6.1 隔震設(shè)計的原則

作為提高公路橋梁隔震性能的一項重要要求，公路橋梁的隔震設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：首先，確定橋梁是否能采用隔震設(shè)計，并根據(jù)地震發(fā)生時的能量吸收情況進行判斷。當(dāng)橋梁周期增長后系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如果橋梁的某些部分不需要使用隔震結(jié)構(gòu)，則無需施工；其次，如果在橋梁設(shè)計中安裝了隔震裝置，則發(fā)生地震時，橋梁端部發(fā)生移動，地震后應(yīng)修復(fù)相應(yīng)的隔震裝置。如果將隔震設(shè)計應(yīng)用于公路橋梁，則必須確保橋梁的抗震性能有所加強；再次，采用整體隔震設(shè)計，應(yīng)盡量選用結(jié)構(gòu)簡單、滿足橋梁結(jié)構(gòu)實際需要的隔震裝置，并根據(jù)機械性能范圍的要求使用；最后，應(yīng)詳細(xì)研究橋梁的土壤條件和橋梁附近的地質(zhì)環(huán)境，以確保有足夠堅實的地質(zhì)條件。

6.2 隔震橋梁的能量設(shè)計方法

分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)強度、質(zhì)量、剛度的分配對結(jié)構(gòu)的整體地震能量影響較小，而結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的初始階段則是由橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量決定的。在公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，將多個自由度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個終端感應(yīng)系統(tǒng)，并按第一周期的原則，計算出了地震橋的整體地震輸入能量。在初步設(shè)計時，不需要進行隔振設(shè)計，就可以利用橋梁的一階模型來求取等效末端導(dǎo)引系統(tǒng)的質(zhì)量。橋梁隔震的能量方法是一種迭代計算的方法，在進行抗震設(shè)計時，必須先對隔震等級及隔震指標(biāo)進行確定。

需要注意的是，首先在抗震設(shè)計時，采用鉛芯橡膠隔震支座作減震裝置，使其在地震時能維持其彈性狀態(tài)，或使其處于有限撓度狀態(tài)，則宜將其最大延性比控制在2 以下；其次，在減震作用下，對橋墩起到了一定的保護作用，因此抗震設(shè)防級別必須達到3。

6.3 隔震裝置的有效選取

在橋梁施工過程中，隔震和減震是需要考慮的因素之一，必須達到以下三個要求：第一，需要相當(dāng)大的靈活性，以延長使用壽命和減少地震破壞；第二，通過阻尼和節(jié)能等手段削弱地震的破壞力，在一定范圍內(nèi)建立地表變形控制，抵抗地震的能量；第三，必須具有可靠的強度和流動性，以防止橋梁不能進入正常使用狀態(tài)，并防止其屈服或危險振動。在橋梁減震設(shè)計過程中，應(yīng)注重提高能耗和地震力的分散性，而不是只實施其生命周期。在選擇阻尼裝置時，必須在機械性能要求的范圍內(nèi)選擇和使用簡單的裝置。

7 公路橋梁設(shè)計中隔震設(shè)計的具體對策

在公路橋梁建設(shè)過程中，要做好隔震設(shè)計工作。在一些項目中，許多技術(shù)都是從統(tǒng)一的角度應(yīng)用的，因此道路和橋梁的建設(shè)沒有達到最好的效果，反而造成了更多的危險因素和更嚴(yán)重的經(jīng)濟和社會損失。鑒于此，針對橋梁本身抗震結(jié)構(gòu)的具體操作，須采取一系列技術(shù)方法和手段，以提高路橋的穩(wěn)定性，減少不穩(wěn)定因素的影響。

7.1 選擇合適的執(zhí)行方式和標(biāo)準(zhǔn)

從路橋工程的角度來看，不同橋型所選擇的技術(shù)實施方法有很大差異。例如，相對于大型橋梁的抗震設(shè)計，中小型橋梁抗震標(biāo)準(zhǔn)的選擇在成本方面得到了很好的控制，但抗震設(shè)計的性能嚴(yán)重下降。相反，如果按照大型橋梁的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建造中小橋梁，成本也將大大增加。因此，設(shè)計人員還應(yīng)加強相關(guān)的施工內(nèi)容。在抗震設(shè)計的施工和運營過程中，必須對周圍的人和自然環(huán)境進行調(diào)查，以確保技術(shù)實施模式與路橋工程本身相一致[6]。

7.2 設(shè)計隔震裝置

隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計是隔震橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是隔震設(shè)計的重點。目前，在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，采用最多的是彈性反應(yīng)譜分析法，美國、日本等國家也是如此。兩者的最大差異是計算公式的差異，具體來說，它是用來計算隔震器的等效減振和等效剛度的，當(dāng)橋梁自身形狀不規(guī)則或錯綜復(fù)雜時，一般采用校正的方式。

目前，彈性反應(yīng)譜方法得到了廣泛的應(yīng)用。首先，該方法在工程建設(shè)中的計算比較簡便；其次，該算法與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)計算方法相近，容易為業(yè)界所接受，在計算時，必須考慮到隔震設(shè)備等效阻尼和等效剛度的計算值與地震時的最大變動幅度有很大的相關(guān)性；最后，對橋梁整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也有一定的影響。當(dāng)然，在地震的作用下，彈性反應(yīng)譜方法也還有待進一步完善，在具體的計算工作中，無法直接達到這個目的。在地震后，有經(jīng)驗的工程人員可以對其進行初步的設(shè)計，并對其進行修改和分析，以確認(rèn)其合理性[7]。

7.3 設(shè)計細(xì)部構(gòu)造

經(jīng)過長期的發(fā)展和探討，研究人員認(rèn)為，路橋工程施工中采用隔震設(shè)計后，可以達到預(yù)期的效果，但從現(xiàn)有項目來看，部分地區(qū)對路橋項目的細(xì)節(jié)關(guān)注度不高，雖然沒有發(fā)生嚴(yán)重事故，但后續(xù)維護頻率高，成本和經(jīng)濟成本高，不利于路橋的長期維護。在這種情況下，地方路橋項目應(yīng)注重細(xì)節(jié)設(shè)計，實現(xiàn)更好的發(fā)展，減少缺陷，實現(xiàn)路橋的整體優(yōu)化。橋梁輔助設(shè)計主要有限位裝置、伸縮縫、防墜落裝置等。橋梁的動態(tài)反應(yīng)與抗震性能的綜合影響對其結(jié)構(gòu)的影響很大。此外，在計算地震響應(yīng)強度時，由于輔助結(jié)構(gòu)的計算較為煩瑣，有些設(shè)計者不愿進行計算與設(shè)計。在道路、橋梁、抗震建筑等工程中，應(yīng)對細(xì)節(jié)進行細(xì)致的設(shè)計，以保證其連續(xù)性。因此，在設(shè)計時要重視橋梁的精細(xì)構(gòu)造，對其輔助結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計，使其更好地發(fā)揮抗震性能。

8 結(jié)語

在橋梁施工中引入抗震性能是為了保證橋梁施工質(zhì)量，因此提高橋梁施工中抗震研究的效率，吸收和借鑒國外一些技術(shù)經(jīng)驗，在具體設(shè)計過程中，結(jié)合工程實踐，選擇合理的設(shè)計方案，使公路橋梁具有較強的抗震性能，滿足人們的使用需求。