橋梁抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)與減震、隔震設(shè)計(jì)的應(yīng)用

雷亮

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響巨大，甚至是毀滅性的影響，公路橋梁造成破壞的常見地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、泥石流、地震[1]。本文主要針對地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究。

我國一些地區(qū)位于地震活躍區(qū)，地震災(zāi)害頻發(fā)，如1976年唐山地震、2008 年汶川地震。這些地震災(zāi)害不僅對人們的生命安全造成了威脅，更多的是對建筑物的破壞。根據(jù)調(diào)查研究，1976 年的唐山地震對公路和橋梁等工程都造成了嚴(yán)重破壞，有超過50%的公路橋梁不能正常使用。為了加固橋梁結(jié)構(gòu)，提高橋梁的抗震功能，我國不斷修改規(guī)范，使橋梁的抗震性能逐步提高。我國大多數(shù)規(guī)范和技術(shù)都在參照日本[2]。因?yàn)槿毡緡姨幱诘卣饚?，地震次?shù)較多，有比較豐富的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此，在技術(shù)上相對成熟。本文對橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)展開探討，討論減隔震技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

2 橋梁常見震害

為了更具針對性地研究地震對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，現(xiàn)對地震造成的橋梁病害進(jìn)行整理，見表1。

表1 橋梁各部位常見病害

在橋梁的整體結(jié)構(gòu)體系中，支座及伸縮縫等支撐部位的連接構(gòu)件發(fā)生破壞的概率最大。從一定程度上講，遭遇地震災(zāi)害后，支座的破壞有效保護(hù)了橋墩和基礎(chǔ)。但是在設(shè)計(jì)中，要合理布置擋塊和連梁設(shè)備，以防支座破壞發(fā)生落架[3]。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

橋梁上部結(jié)構(gòu)的形式直接影響著橋梁能否正常通行。對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮其力學(xué)性能，還要考慮施工期間的施工工藝和運(yùn)營后的路面保養(yǎng)。上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨損、混凝土裂縫等現(xiàn)象都會(huì)影響橋梁的結(jié)構(gòu)特性。為了避免該問題，不僅要提高上部結(jié)構(gòu)的承載力，還要注重施工過程中的施工質(zhì)量，調(diào)整設(shè)計(jì)方案。在地震中，橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)常因?yàn)楫a(chǎn)生了較大的位移而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，甚至坍塌（見圖1），因此，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的相對位移，將位移值控制在允許范圍內(nèi)[4]。

圖1 某大橋坍塌

3.2 支座設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.1 支座的作用

支座作為連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的部位，不僅可以傳遞梁部傳來的荷載，適應(yīng)溫度和收縮變形等因素產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移，還可以在發(fā)生地震時(shí)對橋墩起到保護(hù)的作用。支座的主要制作材料是鋼材和橡膠，對地震造成的結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)有很好的緩解作用。支座的形式有很多，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的橋型和地域環(huán)境選擇不同的支座。

3.2.2 支座承載力的選擇

通過確定橋梁恒載、活載、支點(diǎn)處的反力以及墩臺(tái)處的支座個(gè)數(shù)，可以計(jì)算出支座需要具有的承載力。通常支座最大反力與支座容許承載力的比值小于或等于0.05、最小反力與支座容許承載力的比值大于或等于0.8 的支座是設(shè)計(jì)合理的支座。為了確保支座具有一定的滑移能力，需對其最小反力進(jìn)行限制。另外，設(shè)計(jì)支座時(shí)，不需考慮設(shè)置冗余的安全儲(chǔ)備。例如，通過計(jì)算確定的支座處的最大反力和最小反力為分別為4 100 kN 和3 700 kN，選用承載力數(shù)值為4 000 kN 的支座即可。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基礎(chǔ)工程具有隱蔽性，因此，對于橋梁工程，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)非常重要。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，有70%~80%的建筑物破壞都是因?yàn)榛A(chǔ)失穩(wěn)，尤其是橋梁工程，所處的地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜，更要注重基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)。地震常導(dǎo)致原來正常的地基發(fā)生液化，使原有的基礎(chǔ)承載力顯著下降，橋梁結(jié)構(gòu)因此發(fā)生破壞。

3.4 墩柱設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

在公路橋梁的建設(shè)中，墩柱結(jié)構(gòu)是重要組成部分。墩柱結(jié)構(gòu)一方面可以對橋梁上部結(jié)構(gòu)起到支撐作用，另一方面也發(fā)揮著一定的抗震作用。對墩柱加強(qiáng)設(shè)計(jì)控制的核心在于對墩柱質(zhì)量的控制，可以采取以下措施：

1）將墩柱自身的強(qiáng)度與地震時(shí)所承受的強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而對墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保具備足夠的承載力；

2）為保證墩柱質(zhì)量，應(yīng)重視墩柱配筋，計(jì)算配筋面積并合理選擇配筋型號(hào)，保證配筋所提供的抗彎承載力能滿足工程需要，提高墩柱自身的穩(wěn)定性，在地震中發(fā)揮其抗震作用。

4 橋梁減震、隔震設(shè)計(jì)

4.1 減震、隔震設(shè)計(jì)的原理

在現(xiàn)代的公路橋梁以及基礎(chǔ)建設(shè)當(dāng)中，運(yùn)用隔震設(shè)計(jì)的目的是提高結(jié)構(gòu)的柔韌性以及抵抗地震的能力[4，5]。為避免在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)能量過于集中，應(yīng)從災(zāi)害能本源展開研究來進(jìn)一步降低對于整體的破壞性。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震波的振動(dòng)頻率呈現(xiàn)出不規(guī)律性和復(fù)雜性，在一定頻率范圍內(nèi)，地震波能量相對集中。另外，地震震動(dòng)頻率隨著周期的延長而減小，延長結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期可以降低地震對結(jié)構(gòu)的危害，盡可能避免產(chǎn)生地震能量集中。為了有效提升公路橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，進(jìn)行減震、隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)基于上述規(guī)律明確地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的震動(dòng)周期，盡可能采用柔性支撐延長結(jié)構(gòu)震動(dòng)周期，消耗地震波產(chǎn)生的能量，這樣有利于緩解地震產(chǎn)生的振動(dòng)作用。

4.2 減震、隔震設(shè)計(jì)的適用條件

在公路橋梁的減震、隔震設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)的具體情況，在滿足科學(xué)合理性的前提下進(jìn)行減震、隔震設(shè)計(jì)。如果橋梁地基不具備足夠的穩(wěn)定性，且呈現(xiàn)松軟狀態(tài)，那么在延長橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期后，會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，在這種情況下，不能貿(mào)然采用減隔震技術(shù)，否則會(huì)對橋梁安全控制產(chǎn)生不利影響。為避免上述情況的出現(xiàn)，在橋梁工程建設(shè)過程中，應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)場勘察的作用，對橋梁附近的震害發(fā)生情況有全面而詳細(xì)的了解，計(jì)算并分析地震作用的影響，從而建立公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，更加合理地進(jìn)行減震與隔震設(shè)計(jì)。另外，要確保橋梁上部結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的整體性和連續(xù)性，下部結(jié)構(gòu)具備較高的剛度。

由于公路橋梁具備一定的復(fù)雜性和特殊性，部分橋梁工程的下部結(jié)構(gòu)在高度方面存在非均勻變化，會(huì)導(dǎo)致地震作用進(jìn)一步加劇。為避免上述情況的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，合理布置減震、隔震構(gòu)件，以保證地震發(fā)生時(shí)，使橋梁下部結(jié)構(gòu)具備充足的抗變形能力，有效抵抗震動(dòng)作用，將慣性力對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利作用減輕到最低。

總而言之，對橋梁進(jìn)行減震、隔震設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)明確橋址區(qū)域的基本條件，充分掌握橋梁結(jié)構(gòu)的特性等，在綜合多項(xiàng)因素的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地進(jìn)行減震、隔震設(shè)計(jì)，提升地震作用下橋梁整體的抗震性能，最大化地減輕地震作用帶來的不利影響。

4.3 減震、隔震支座的應(yīng)用

公路橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與減震設(shè)計(jì)密切相關(guān)，對工程建設(shè)的整體質(zhì)量有直接影響。通過采用減震、隔震支座，可以將結(jié)構(gòu)整體的阻尼增大，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的柔性，削弱地震作用對橋梁結(jié)構(gòu)的影響[5]。減隔震支座一般布設(shè)于橋墩、橋臺(tái)與梁部的連接處。通過支座的合理應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)梁體和橋臺(tái)的良性連接，最大化地發(fā)揮減震作用，是提高公路橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要保障措施。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，由于地震波的存在，會(huì)使橋梁整體發(fā)生上下振動(dòng)和左右晃動(dòng)，由于阻尼器和減隔震支座的存在，會(huì)削弱地震波能量，有效減輕地震波帶來的不利影響。因此，在公路橋梁的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)以現(xiàn)實(shí)情況為依托，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，明確結(jié)構(gòu)的最大加速度和支座最大位移的數(shù)值，從而選擇合適的減隔震支座。

同樣，鉛芯橡膠支座（見圖2）在公路橋梁中的應(yīng)用也有利于提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。在地震作用下，鉛芯橡皮支座自身的屈服剪力等力學(xué)性能會(huì)得到充分發(fā)揮，使得自身的初始剪剛度改善，可以使橋梁整體結(jié)構(gòu)剛度增大，抗震性能最終得以增強(qiáng)。除此以外，利用摩擦力和慣性差產(chǎn)生的滑移運(yùn)動(dòng)原理的滑動(dòng)摩擦型阻尼支座同樣在橋梁減隔震技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，在提升整體結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)，通過減輕地震波帶來的不利影響，實(shí)現(xiàn)對橋梁整體的保護(hù)作用[6]。

圖2 鉛芯橡膠支座施工

5 結(jié)論

1）橋梁抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是針對橋梁上部結(jié)構(gòu)、支座、基礎(chǔ)及墩柱等構(gòu)件開展抗震設(shè)計(jì)。

2）在公路橋梁的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)以現(xiàn)實(shí)情況為依托，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，明確結(jié)構(gòu)的最大加速度和支座最大位移的數(shù)值，從而選擇合適的減震、隔震支座。