桥梁设计中隔震设计的必要性及设计做法研究

桥梁设计中隔震设计的必要性及设计做法研究

杨冬云

天津城建设计院有限公司天津市300122

摘要：我国是一个地震多发的国家，地震发生时桥梁结构的破坏或倒塌及其随后产生的交通中断等问题都会引起巨大的经济损失。因此，如何建立一种安全经济可靠的抗震设计，从而可以有效抵御某种程度的不可预测的灾难性大地震，一直是桥梁设计中面临的一个持续挑战。隔震能明显提高桥梁的抗震能力，本文首先介绍了桥梁隔震设计的一些特点，然后详细介绍了桥梁隔震设计方法。

关键词：桥梁；隔震设计；方法

我国是一个多地震的国家，自汶川地震以来，抗震防灾工作正日益受到重视。近年来地震一再显示了桥梁工程破坏的严重后果，也一再显示了桥梁工程抗震研究的重要性。隔震技术是将过去传统的“硬抗”技术转变为“软抗”，将建筑物的上部结构和基础“隔开”。在桥梁抗震设计中，引入隔震技术的目的就是利用隔震装置在满足正常使用功能要求的前提下，达到延长结构周期，消耗大量地震能量，降低结构的响应。

一、桥梁隔震设计的特点

减隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段。隔震是利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构。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。在实践中，常常把这减震与隔震两种体系合二为一。通过选择适当的隔震装置与设置位置，可以达到控制结构内力分布与大小的目的。

对于桥梁的隔震设计，最重要的因素就是设计合理、可靠的隔震装置并使其在结构抗震中充分发挥作用。延性抗震设计允许很大的地震能量从地面传递到结构的重要构件上，设计考虑的是如何为结构提供抵抗地震的能力；隔震技术的基本目的就是要大大减小传递到结构重要构件上的地震能量，且将这一地震能量转移到隔震装置上。当隔震装置采用的是铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座时，已改变了传统钢支座等提供的约束关系，它与传统的钢支座不同，不再是提供简单的“固定”、“可动”约束条件，而是弹性约束条件，这也就使得结构的振动响应成为整体。这同时给设计人员提供了一种比较自由的方式来确定分配到下部结构各构件中的水平力，改善了整个桥梁下部结构的受力。

值得指出的是，隔震技术的应用并不是在任何情况下均适用。场地比较软弱、不稳定、或延长桥梁结构周期后容易发生共振等情况，不宜使用隔震技术。因此，在设计一个隔震桥之前，首先要判别其是否适合采用隔震技术。

二、桥梁隔震设计方法

隔振桥梁的设计方法与普通桥梁相比既有很多相同之处，也有其独特的一面。隔震桥梁的设计主要包括两部分内容：首先是隔震装置的设计；其次是下部结构的设计，两部分是相互紧密联系的。

设计过程一般包括三个主要阶段，即概念设计阶段、隔震桥梁数值设计和性能校核阶段、细部构造设计阶段，其中数值设计阶段针对两个设防地震水准又分为两个设计阶段。力图通过这样的设计过程使设计的结构满足规范的要求，具有很好的抗震性能。

概念设计阶段，就是在该设计阶段，结合桥梁实际情况和设计要求，设计人员利用有效的结构概念、经验、理论成果等，从总体上初步规划和把握结构的抗震性能、动力响应特性。数值设计阶段，就是根据概念设计阶段确定的基本框架和性能目标以及总体的规划，通过两阶段设计过程来确定结构构件的具体尺寸、配筋等，并校核其是否满足相关要求。细部构造设计阶段是针对隔震桥梁的特点，在构造措施等方面给予明确考虑，确保结构在设计地震下达到预期的抗震性能。

1、概念设计

在桥梁抗震设计中，初步设计是相当重要的，因为一个差的初步设计可导致最终的设计结果也比较差。此处建议的概念设计阶段目的就是想通过该设计阶段得到一个好的设计结果。概念设计就是在结构初步设计阶段，借鉴过去的抗震经验和震害教训及当前的理论研究成果，在掌握各类桥梁结构的动力响应特性基础上，经综合考虑来选择合理的结构设计形式。

进行隔震设计时，应将重点放在提高耗能能力和分散地震力上，不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，隔震装置不仅要能减震耗能，还应满足正常运营荷载的承载要求。在初步设计阶段，通常需要通过调整隔震装置在下部结构间的分布使设计的结构更经济合理。在概念设计阶段，结合能力设计原理，应全面了解隔震结构在预期地震下的动力响应特性，以实现预期的设计目标。

2、数值设计阶段

对于一座实际桥梁的隔震设计，通过概念设计阶段，结合其使用功能、美学、非地震荷载等要求，可初步确定桥的构型、上部结构、下部结构的构件尺寸。因此，在数值设计阶段只需根据确定的性能目标要求对未知的隔震装置和桥墩配筋等进行设计。

在隔震设计中，要使隔震装置充分发挥减震耗能的作用，必须使非弹性变形和耗能主要集中在隔震装置。一些隔震设计规范强行规定隔震结构的周期至少应为非减隔震结构的2倍以上，就是为了确保隔震装置的柔性。还应通过提供足够的强度避免在桥台、基础，以及其它连接装置中发生不希望的破坏。

对于铅芯隔震支座，通常最小的需求平面尺寸是由每个支座处的最大竖向荷载决定的；橡胶单层厚度由所需竖向刚度、转动能力决定的；整个橡胶支座的橡胶层厚度是由给定水准地震作用下所需要延长的周期、变形决定的；最小铅芯直径是由滞回阻尼、风力、制动力等因素决定的。

在初步确定隔震支座的尺寸后，接着进行的就是桥梁结构的隔震设计，对于梁式桥主要是下部结构的设计。整个设计过程主要是通过采用恰当的分析方法来计算结构在相应水准地震作用下的需求，进而通过设计来提供结构一定的能力来满足相应的需求。由于结构的响应与结构自身的特性有关，因此，整个设计过程是一个迭代过程。在开始时需假设隔震支座的变形，经过迭代直至收敛，进而可计算结构的需求，并据此进行下部结构的设计。对于地震作用下结构响应的校核，建议可采用非线性静力分析方法。这主要是因为采用弹性反应谱分析方法虽然可以完成这个过程。能力设计的实质就是通过建立不同构件间的强度差别来保证预期塑性铰机构的形成和其他非塑性铰区保持弹性的目标。由于隔震桥梁具有的非线性特性以及数值设计阶段采用的是简化的分析方法，对于比较复杂的结构，常常不能正确把握桥梁的非线性动力特性。因此，对于比较复杂的结构，有必要进行非线性动力时程分析，以校核在相应水准的地震作用下结构的性能。

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