如何在立交橋結構設計中運用減隔震技術

06-06

近幾年，我國地震發生較為頻繁。國內外專家提出了有關抗震設計的一些原則，橋樑的結構設計要可以承受中等強度以下地震，同時還需要保證橋樑在強震的情況下，不會發生傾倒、坍塌等各種問題。在我國橋樑設計整體規劃中必須遵守這一原則。橋樑抗震設計中規定，在一些小型地震中，橋樑結構出現一些輕微損壞，橋樑依然可以正常使用，則此時的橋樑結構為彈性階段；在經過中震後，橋樑結構出現了一定程度的破損，通過修繕之後其功能依然存在，則這時橋樑結構屬於非彈性階段；當強震之後，橋樑結構出現了大幅度的破損，但橋樑的整體結構不會坍塌，經過相應的修補之後，橋樑的部分功能可以隨之恢復，則這時的橋樑結構屬於彈塑性階段。在河南省鄭東新區北三環-龍湖中環路東立交橋工程中，筆者進行了這方面的有益嘗試。

一、減隔震技術原理 1.延性設計

所謂橋樑結構延性設計是指結合橋樑結構的受力點，選擇最合適的地方設置塑性鉸，完成細部結構的整體構造。該設計最根本的目的是，當地震發生的時候，減低地震能量對橋樑結構造成的衝擊，從而確保橋樑結構的完整性、穩定性。在發生的地震級別非常高的時候，該設計還可以防止橋樑結構出現坍塌、大面積損壞等。但是，需要注意的關鍵點是，在橋樑設計中使用該方法，會大大加劇橋樑結構損壞的可能性。結合相關實踐研究表明，使用隔震防範措施，會使橋樑單質量剪力變小。

2.結構控制

要做好橋樑結構控制工作，涵蓋的內容十分廣泛，技術方式也十分複雜。被運用得最為普遍的方法有三種∶主動控制技術、被動控制技術、混合控制技術。減震技術主要被運用在被動控制相關理論中。對橋樑的整體結構進行科學、合理安排，一旦發生地震可以降低橋樑結構的損壞。

3.減隔震設備分類

目前，在我國橋樑工程設計中主要有兩種減隔震設備，即粘滯阻尼器、支座類減隔震設備。不管是哪種類型的減隔震技術都是通過將橋樑結構的周期延長，消耗地震能耗的方式達到減隔震效果。其中粘滯阻尼器是將橋樑結構耗能減少，從而達到減隔震效果。同時，支座類減隔震設備包含擺式以及鉛芯隔震兩種。在橋樑結構設計中科學、合理地使用減隔震技術可以最大程度地減少橋樑結構在地震發生階段自身耗能，從而可以讓橋樑結構安全可靠。

二、減隔震技術在橋樑結構設計中的應用

在鄭東新區北三環-龍湖中環路東立交橋工程的具體施工設計中，為增強橋樑結構的抗震能力，確保橋樑結構的安全，該項技術得到了科學、有效的運用。具體如下：

1.粘滯阻尼器的應用

在橋樑減隔震設計中，粘滯阻尼力器佔據一定的優勢。第一，相比於彈性和摩擦阻尼裝置，粘滯阻尼器優勢大，若在阻尼器參數為零的情況下，粘滯阻尼器的阻尼值就會出現最大值，橋樑結構變形會處於最小狀態，而對於彈性和摩擦阻尼器來說，它們的阻尼值就會出現最小值，橋樑結構變形程度會最大。第二，在溫度出現變化的時候，彈性和摩擦阻尼裝置想要自由變形，就要克服相應的力，在此期間，會對橋樑結構出現應力，使橋樑結構的穩定性受到損壞。但是使用粘滯裝置，在其自由變化的過程中，所出現的抗震力幾乎為零，不會破壞橋樑結構的穩定性。

粘滯阻尼器在具體運用的過程中，會將其設置在橋樑的關鍵位置上。在鄭東新區北三環-龍湖中環路東立交橋工程中，主要應用的是粘滯阻尼器，將各阻尼器放置在橋樑的伸縮結構中，從而提升了橋樑結構的抗震性。

2.鉛芯橡膠支座的應用

在橋樑抗震結構設計中，鉛芯橡膠支座被運用得也非常廣泛。該抗震裝置主要是將鉛芯材料添加到橡膠支座中，從而達到減隔震作用。從某種程度上來看，鉛芯結構有著很好的力學性能，鉛芯橡膠支座具有較低的屈服剪應力，彈塑性很強，且具備良好的抗疲勞性能，可以保持長時間的穩定。基於這些優勢，在橋樑抗震結構設計中該裝置被運用得非常普遍。在鄭東新區北三環-龍湖中環路東立交橋工程中，支座採用鉛芯橡膠支座。

3.橋樑減隔震設計流程

隔震橋樑的設計方法有別於傳統的設計步驟，須事先假定隔震橋樑的需求設計位移，即先假定隔震橋樑整體等效阻尼比

與有效周期

，則隔震橋樑的需求設計位移即可確認，其具體步驟如下：

（1）定義整體隔震橋樑的期望等效阻尼比

與有效周期

；（2）依據

、

計算上部結構在水平方向的側向位移

；（3）依據

推算隔震橋樑的有效剛度

。接著依據橋樑實際情況合理適當分配各墩柱

的有效剛度，則可得到減隔震支座-墩柱系統的有效剛度；（4）根據墩柱截面計算墩柱剛度

，求出各墩柱減隔

震支座的有效剛度

；（5）依據隔震橋樑的設計位移、

各墩柱減隔震支座的有效剛度

，與各

下部結構剛度，可求得各墩柱減隔震支座的設計位移；（

6）根據隔震支座的有效剛度

與

隔震支座的設計位移，分別計算各支座的等效阻尼比

以及第i橋墩上隔震支座在設計位移下的滯迴圈總面

積；（7）根

據隔震支座的有效剛度

、設計位移與設計位移對應的滯迴圈總面積，可分別計算各支座的基本特性強度與屈服後剛度。三、減隔震技術在橋樑結構設計中的不足之處 1.減隔震技術應用規範尚不完善

在鄭東新區北三環-龍湖中環路東立交橋工程的實施過程中，筆者發現，從我國的實際情況來看，將減隔震技術運用到橋樑結構設計中的時間不長，所以，同發達國家比較，我國的減隔震技術還存在著一定的差距。其中非常突出的一點是，我國在減隔震技術運用上規範不完善，理論以及相關的實踐經驗不足。在減隔震技術的應用過程中，最重要的一點在於對細節的構造，如果細節構造不科學合理，抗震效果就會受到影響。目前我國抗震技術並未進行統一規範，檢測標準不明確，使該項技術的運用受到影響。除此之外，我國橋樑整體結構本身就存在著很嚴重的質量問題，即使在橋樑結構中使用減隔震技術，也會造成很大的損壞。

2.減隔震技術使用方法尚不合理

要將減隔震技術合理地運用到橋樑結構設計中，就需要做到橋樑結構和抗震設施的完美結合，這樣才可以將抗震的作用充分發揮出來。並且，還需要對地震發生的等級與預期有一個全面了解。這樣對減隔震技術工作人員提出了更高的要求，需要設計者在橋樑實際運營過程中不斷完善與積累經驗。