减隔震技术在桥梁抗震设计中的运用

常生玉

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

桥梁工程是我国重要的基础性工程，做好桥梁工程建设工作有利于我国城市化的发展。对桥梁工程进行设计和施工时，除了要确保施工的质量以外，而且还要重视桥梁的抗震性能，若是桥梁没有较为理想的抗震性能，那么当遇到地震等情况时将会对桥梁造成严重损坏，影响桥梁的使用寿命和使用安全。所以，在进行桥梁工程设计时，应当对桥梁抗震设计予以重视，并采用有效的减隔震技术，提高桥梁的抗震性能。

1 桥梁抗震设计的重要性

自从2008年我国出现了堪比唐山大地震的汶川地震开始，我国最近十多年出现了多次大型地震，因而桥梁工程对于抗震也就有了更多的要求。在桥梁设计时，要重视其本身的抗震性能，从桥梁设计的具体情况来看，应当做好减震、隔震的设计[1]。一般情况下，对桥梁进行隔震设计主要是利用隔震器，通过使用隔震器可以有效延长桥梁结构的振动周期，降低水平地震作用，从而获得良好的防震效果。对桥梁进行抗震设计，除了能够降低地震对桥梁所造成的破坏，保护桥梁整体结构，而且还能够提升桥梁工程的经济效益。桥梁的抗震设计不仅不会增加施工成本，还能够在一定程度上提升桥梁质量，在桥梁设计过程中加强抗震设计，以便让桥梁拥有良好的抗震性能，避免遇地震时不被破坏，在一定程度上保证交通运输，有利于后续地震救援工作的开展。对桥梁进行抗震设计具有非常重要的意义，建设单位应当对此给予重视。

2 桥梁抗震设计原则与减隔震技术的原理

2.1 桥梁抗震设计原则

根据相关专家研究表示，当前地球还处在地壳运动频繁时期，造成了地震频频出现，使桥梁受到十分严峻的考验。因此，在当前桥梁工程建设施工过程中应当注重抗震设计，在设计时要遵守以下原则：

（1）科学选址。选址是否科学不仅会影响到施工工作的开展，还会影响到施工质量。在选址时，尽量选择地质结构坚硬的地方，以免地震时地基出现质量问题。另外，不可在松软地区进行桥梁工程建设工作，对桥梁进行设计时，应最大程度避免地震对地质结构的影响[3]。

（2）差异性设计。在抗震技术的应用中，主要采用了同等安全度理念，也就是桥梁中的所有结构都应当具备相同的抗震性能，但是此种设计原则明显是极为不合理的。由于不同的位置在抗震上所发挥的作用不同，所以结构件本身所具有的抗震性能也就不同，所以在设计上应重视桥梁结构的差异性，使设计更加具有针对性，从而使桥梁具有更好的抗震作用。

（3）整体结构系统规范。想要桥梁拥有良好的性能，则每个结构部分所具有的散力性和受力要处于较为均衡的状态，并和桥梁主体有较为理想的联通性。对于桥梁主体应最大程度选择硬质建材，特别是在地震多发的地方，设计时尽量不要选择拼接式主体，避免地震发生时由于地基出现共振现象而造成桥梁塌陷。

2.2 减隔震技术的原理与特征

该技术的原理为：通过利用减震支座等设备，消除进入桥梁结构中的震动能量，从而避免震动对桥梁结构造成不良影响。所以，设计人员在进行抗震设计时，应当合理利用减隔震技术，尽量避免对桥梁结构造成严重的破坏。在应用此技术时，最关键的是需要使用到柔性装置，确保相关结构件的质量，并且应用阻尼设计还能够在短时间内消除地震形成的能量。如果地震能量进入桥梁结构中，将会对桥梁结构造成不同程度的破坏[2]。当对桥梁进行抗震设计时，利用减隔震技术最为重要的是削弱地震形成的能量，以便延长桥梁结构的使用寿命，有效降低地震发生后对桥梁结构所造成的破坏。在减隔震设计时，最为关键的是要确保设计本身的合理性以及所使用的抗震构件要有良好的可塑性与弹性。在使用减隔震技术时，能够在一定程度上降低工程成本，并提升桥梁自身的抗震性能，为使抗震设计获得更为理想的效果，还要对桥梁主体加强维护，以便能够有效降低墩柱延性。

3 桥梁抗震设计关键点

3.1 科学选择桥梁建设地址

在对桥梁进行抗震设计时，应当先选择适合的桥梁建设地址，确保桥梁具有良好的抗震效果。一般情况下，当选择建设地址时，应当尽量选择地质相对较为坚硬的地方，以便为桥梁提供一个更加稳定的平台，即便遭遇到较为严重的地震，也不会发生严重塌陷，为桥梁提供坚实的基础。坚硬的地基通常是碎石、基岩等类型的地质结构，可为桥梁提供更加稳定的基础，是作为桥梁建设地址的第一选择[4]。如果桥梁建设地址处在软弱地基区域，那么应在允许范围中加固地基，最为重要的是避免地基因为受到震动导致出现较为严重的变形，从而保障地基的稳定性，使桥梁拥有较为理想的抗震性能。

3.2 加强墩柱设计控制

在桥梁施工过程中，墩柱是其中的重点项目，墩柱的作用主要体现在支撑桥梁结构、隔震以及减震等方面，相关设计人员要做好墩柱设计工作。在墩柱设计过程中，需要加强抗震设计，主要从以下两个方面入手：（1）根据地区内出现的地震等级分析震动强度，保障墩柱在面临大多数地震时都具有良好的承受力，对墩柱结构体系进行优化，保障其自身的抗震性能。（2）在选择墩柱配筋时，需要对配筋的质量进行严格控制，使其本身的强度能够和承受力相匹配，提高墩柱配筋稳定性，有效发挥出抗震作用。

3.3 避免出现梁落问题

梁落问题是进行桥梁抗震设计时，需要着重规避的问题。当地震发生时，将会产生大量的震动能量，并随着桥梁结构不断蔓延，造成桥梁发生塌陷、结构位移等情况，影响到车辆行驶的安全性。面对此种情况，应当采取相应的办法，让桥梁结构在连接上变得更为稳固，提高其在震动上的弹性，在合理范围内允许其出现位移，避免出现梁落问题[5]。另外，如果桥梁墩台和主梁之间的缝隙变得越来越大，也会造成梁落问题。此时，则应当针对桥梁中没有连续的位置不断进行加固处理，对相互间的连接加以强化，以避免发生梁落事故。

4 常用的减隔震技术

4.1 高阻尼支座

在桥梁工程中，支座是十分重要的结构件，也是桥梁的基础部分，其最为重要的作用是连接桥梁上下部分，并且还能够发挥出竖向荷载作用，具备很强的刚度。所以，支座在水平方向上所具有的刚度则很弱，如果发生了地震，那么其所产生的荷载作用会直接影响到桥梁震动周期，使得震动变大，从而降低对桥梁结构造成的影响。如果要想让支座具有更理想的减隔震效果，则需在对桥梁结构设计时，选用高阻尼支座[8]。在高阻尼支座中，应用最为广泛的是铅芯橡胶支座，将铅芯压入到橡胶支座中，使橡胶支座具有的阻尼性变得更强。因为铅芯本身具有较好的力学性能与剪切刚度，屈服剪力相对较小，所以将其应用在支座中，能够大大降低支座所受到的地震能量，从而削弱地震对桥梁所造成的不良影响，使桥梁结构具有更为理想的性能。由于铅芯本身具有非常高的刚度，不容易发生变形，所以即便面对地震所产生的巨大能量也可以保持较为稳定的状态，还可以对自身刚性进行调节，以免发生变形问题，使桥梁具有更长的使用寿命，避免桥梁出现过于严重的破坏。然而，因为铅芯成本非常高，所以如今施工单位使用此种类型支座变得越来越少。

4.2 黏滞阻尼器

此种设备属于耗能装置，主要利用液体所具有的黏性产生阻尼作用，获得较为理想的阻尼效果，以便使震动力被消耗，降低对桥梁结构所产生的不良影响。在黏滞阻尼器中，主要包括了活塞、导杆以及缸筒等，如果出现地震，那么活塞则会在缸筒中产生相对运动，黏滞流体则会在缸筒中的空隙处出现流动，此过程中便会出现阻尼力，震动力则在此过程中慢慢消耗殆尽，从而起到减震的作用[9]。从桥梁结构的具体设计情况来看，主要是将黏滞阻尼器安装在地塔梁中，以免地震时导致桥墩发生严重变形，使桥梁整体结构具有更为良好的稳定性，产生理想的抗震作用。当前在我国众多桥梁工程中，重庆地区的大桥是应用黏滞阻尼器最多的桥梁。

4.3 分层橡胶支座

在桥墩和桥梁中安装支座主要是为了提高桥梁稳定性与安全性，保证桥梁在遇到地震时不被破坏，降低地震产生的能量对桥梁所造成的冲击，所以在桥梁抗震设计中需要格外重视支座的设计，这也是桥梁是否拥有良好抗震性能的基础。根据以往的桥梁结构设计来看，分层橡胶支座应用得十分普遍，其主要是由橡胶片与薄层钢板两部分构成，再以层层交替的形式形成了圆柱形状，有的则呈现出矩形状，通过橡胶和钢板两者的作用，能够起到良好的减震效果。在分层橡胶支座中，因为橡胶容易发生变形，导致其自身阻尼系数相对较低，可以起到较为理想的隔震与减震作用。

4.4 摆式滑动摩擦支座

对桥梁结构进行减隔震设计时，常常会使用到摆式滑动摩擦支座，该支座主要包含了滑动摩擦装置、钟摆装置两部分，其之所以能够起到减隔震作用，主要是利用了钟摆原理。当球面呈现出钟摆式运动，不仅会延长运动周期，而且还能够取得较为理想的隔震效果。支座滑动导致摩擦发生，摩擦能够起到明显的减震作用，从而使得震动强度出现明显下降[10]。因为支座滑动线路并非是是直线运动，滑动主要呈现出明显的弧度，使桥梁结构在运动周期上能够得到明显延长，所以能够有效缓解地震产生的冲击力，从而降低地震所产生的不良影响，让桥梁结构拥有更为良好的抗震性能。当地震发生以后，容易造成桥梁出现位移，这在一定程度上将会造成支座平面受到十分严重的磨损，如此则应当对桥梁进行定期维护，延长桥梁的使用寿命。

5 桥梁抗震设计选用减隔震技术存在的问题

在桥梁抗震设计过程中使用减隔震技术，容易出现很多问题，主要体现为：

（1）设计过程中没有将基础地基与隔震层进行有效结合，导致其在抗震性能和整体美观性上存在不足，而且桥梁在施工时也缺乏稳定性与安全性；

（2）在桥梁进行设计时，隔震层上面的结构重心和水平刚度中心两者并没有处在相同位置，致使两者间的尺寸出现很大的偏差，这在一定程度上使桥梁缺乏稳定性，影响桥梁本身的抗震性能；

（3）虽然减隔震技术的应用使桥梁隔震层在水平方向上拥有良好的刚度，但是由于没有注重提升水平负载能力，造成桥梁会因为受到水平面出现的剪力使其结构出现严重损坏，从而影响了桥梁工程的整体抗震性能，当发生地震时容易发生大面积坍塌的情况，造成不同程度的经济损失；

（4）没有重视复位功能。当桥梁遇到地震以后，由于复位功能的缺失，桥梁也就无法恢复到原本的状态，地震对桥梁所造成的危害是不可逆的，若是只依赖桥梁自我修复，无法达到良好的修复效果，此时则需要相关工作人员对其进行处理。

所以，在桥梁抗震设计中应用减隔震技术存在着很多问题，需要相关工作人员在此方面给予重视，并采取有效措施加以解决。

6 减隔震技术问题的应对措施

由于地震灾害而产生的震动现象，将影响到桥梁工程质量，所以抗震设计在桥梁建设过程中具有重要意义，也是设计人员着重关注的环节。在我国高速发展过程中，出现了各种桥梁工程，所处地区也存在着很大差异，若是处于地震频发地区，则要做好桥梁的抗震设计，选择适合的设计方法。

6.1 基于性能基础采用的设计方法

在对桥梁工程进行抗震设计时，应基于性能基础采用相应的设计方法，从目前使用情况来看，需要先分析设计工作想要达到的效果，然后根据预期效果进行设计，这样能够确保设计具有一定的针对性。利用此种设计方法进行抗震设计，可以在一般情况下确保人员和财产的安全，同时也可保障桥梁在震后能够继续得以有效应用。根据具体设计情况来看，主要先对地震危害性进行量化处理，明确具体的防护范围，以便有效落实相应设计方法[6]。所以，通过进行整体分析，以性能基础为设计基础，采用适合的设计方法，需要注意的是设计内容相对较为复杂，但设计所产生的应用效果具有非常高的可靠性，能够应用在很多桥梁工程的抗震设计中，可以充分发挥出该设计方法的作用，使桥梁工程拥有更为理想的抗震效果。

6.2 基于强度性能采用的设计方法

此种方法是在桥梁工程抗震设计中应用最为普遍的方法，也是非常有效的方法，深受设计人员的欢迎。从具体设计情况来看，对桥梁工程地基进行静荷载测试，然后再根据结构构件本身所具有的强度和抵抗性能等分析桥梁结构。将此方法应用在抗震设计中，能够有效提升桥梁工程的抗震性能，对于其他桥梁工程的抗震设计也能提供一定参考[7]。然而，在实际设计中，应避免应用在地质结构缺乏稳定性的桥梁工程项目中，主要是因为如果地质结构不稳定，应用此方法所具有的效果也很低。由此看出，此设计方法具有一定局限性，但在应用过程中具有较为理想的实用性，依然被广泛应用在很多桥梁工程项目中，使桥梁工程具有良好抗震性能。

6.3 材料延性设计

桥梁工程主要是混凝土钢结构，其中包括了桥梁、支座、钢索等结构，在施工时所使用的材料主要为金属材料、混凝土材料，所以在进行抗震设计还要做好结构和材料方面的设计工作，是桥梁抗震设计中非常重要的内容。在设计过程中，应当先模拟地震力，然后再对材料进行更换，对试验工程本身所具有的稳定性进行比对，以便完成抗震设计。材料延性设计在抗震设计上变得越来越全面，拥有理想的应用效果，能大大提升桥梁工程在使用时的安全性，确保抗震设计的有效性。

7 结束语

总之，桥梁工程是我国社会发展过程中的基础性工程，如果要保障桥梁工程的施工质量，应当重视桥梁的稳定性，遇到地震时不会受到严重破坏。所以，对桥梁结构进行设计时，要格外重视抗震性能设计，合理应用减隔震技术，确保桥梁拥有良好的抗震性能。本文从高阻尼支座、黏滞阻尼器、分层橡胶支座、摆式滑动摩擦支座四个方面进行了论述，按照具体情况选择适合的技术，提高桥梁工程的抗震性能，使桥梁结构变得更加稳定。