桥梁减隔震技术应用研究

桥梁减隔震技术应用研究

段国民1   ,杨孙源2

昆明拓成道路工程技术咨询有限公司      云南昆明      650000

摘要：近年来，地震频发，造成了我国巨大的财产和生命损失；随着经济的发展和社会不断的进步，桥梁抗震设计成为了桥梁设计一种重要部分，其中减隔震技术又在桥梁抗震设计中占据了重要地位，多数国家对于减隔震技术的运用都在向着更加有效的方向不断发展探索。本文首先介绍传统抗震技术与减隔震技术的具体设计方法以及相应的工作原理和减隔震技术的优点，然后总结桥墩的破坏形式及原因得出减隔震技术运用的条件和相关步骤，进而分析减隔震技术具体运用以及我国减隔震技术应用现状和国际水平的差异。最终表明，地震对于桥梁的破坏是极大的，我国减隔震技术发展已有成效但相较与发达国家技术水平仍有较大的差距。

关键词：减震技术；隔震技术；桥梁抗震；技术应用

Research on the Application of Bridge Vibration Isolation Technology

Duan Guomin, Yang Sunyuan

Kunming Tuocheng Road Engineering Technology Consulting Co., LTD. Yunnan Kunming 650000

Abstract: In recent years, earthquakes have occurred frequently, causing huge losses of property and lives in China; with the development of the economy and the continuous progress of society, the seismic design of bridges has become an essential part of bridge design, which seismic isolation technology occupies an important position in the seismic design of bridges, and the use of seismic isolation technology in most countries is developing and exploring in a more helpful direction. This paper firstly introduces the specific design methods of traditional seismic technology and vibration isolation technology as well as the corresponding working principles and advantages of vibration isolation technology, then summarises the damage forms and causes of bridge piers to derive the conditions and appropriate steps for the application of vibration isolation technology and then analyses the specific application of vibration isolation technology and the difference between the current situation of vibration isolation technology application in China and the international level. It is shown that the damage caused by earthquakes to bridges is enormous and that the development of seismic isolation technology in China has been effective. However, there is still a significant gap compared to the technical level of developed countries.

Keywords: seismic reduction technology; seismic isolation technology; bridge seismic; technology application

引言

随着人们对建筑物结构安全性的要求越来越高，桥梁减震及隔震技术已成为建筑领域中重要的技术手段之一。桥梁减震及隔震技术可以有效地降低桥梁结构在地震、风力等自然灾害或车辆行驶等外界因素作用下的振动和应力，从而保障桥梁结构的稳定性和安全性。

桥梁减震技术包括传统的液压减震器、摆锤减震器等被动减震技术和较新的主动控制减震技术。被动减震技术通过减震器、阻尼器等装置对桥梁结构进行阻尼，从而减少结构振动和应力。主动控制减震技术则通过控制减震器或智能材料等主动调整结构阻尼和刚度，以实现更为精准的控制和调节。

隔震技术则是通过在桥梁结构和地基之间增加隔震支座、摆臂等隔震装置，从而有效地隔绝了地震波对桥梁结构的传递，保障桥梁结构的安全性和稳定性。

随着科技的发展和人们对结构安全性要求的不断提高，桥梁减震及隔震技术将会不断发展和完善，成为未来桥梁建设中不可或缺的技术手段。

1 传统抗震设计与减隔震技术设计

1.1 传统抗震结构设计

结构的传统抗震方法大多采用提高结构自身的性能从而抵抗地震作用，即仅依靠结构的破坏来吸收及转移将地震能量进行耗散，亦可称为“硬碰硬”式抗震[1]。具体原理一般考虑将结构的强度和刚度进行大幅度增强，由此对抗地震能量，工程中具体实施一般将构件截面面积进行增大和提高构件配筋率，由此达到抗震效果。然后仅从结构自身出发的抗震设计，大部分地震能量仅依靠结构自身的弹塑性变形能力以及滞回环耗能能力，但结构本身不能根据地震作用进行自我调控，因此结构的传统抗震设计是一种极为被动且消极的抗震方法。

1.2减隔震技术设计

减震技术是采用研发的减震装置、构件，地震作用下所用装置、构件最先发生塑性形变，从而消耗结构体重的地震能量；而隔震技术则是通过布置隔震层，从而将结构分为上、下部结构和隔震层三个部分，地震来临时，地震能量传递到上部结构，需先经过隔震层，而通过隔震层隔震装置的消能耗散作用，传到上部结构的地震能量变得少之又少[1]。往往在实践中，将两种体系合二为一，组合使用，从而达到较好的抗震效果。

1.3 传统抗震设计工作原理

传统结构抗震是将地震当做一种荷载与结构上一些其他荷载进行相应组合，并且通过计算和验算，看结果是否满足设计和使用要求。

1.4 桥梁减隔震技术设计工作原理

桥梁减隔震技术主要通过使用隔震设备将结构自振周期进行延长，使得结构的结构动力特性发生改变，进而有效避开最大加速度地震响应，同时采用消能装置约束结构位移，使得地震作用下结构的动力响应显著减低[1]。具体描述为以下三点：1、延长结构自振周期。结构采用柔性支承能明显降低结构自身刚度使结构成为柔性结构，从而改变结构自振周期，有效避开地震能量峰值位置使得结构的加速度降低，从而地震对结构性能的影响得以减弱。2、减小结构位移量。采用柔性支承延长结构的自振周期必将会导致地震作用下结构位移的增加，可以在设计中合理运用阻尼器等耗散元件，当地震时结构位移增大，阻尼器由弹性状态进入塑形状态同时消耗地震能量，因此结构的阻尼值和能量耗散能力得到增强。3、合理的刚度设计。采用柔性杆件可以减小地震桥梁结构响应[2]。但设计柔性支承结构时，应保证桥梁结构在正常使用时的刚度合理性，避免一味追求柔性结构，而忽略桥梁结构的稳定性。

1.5 减隔震技术的优势

与传统抗震结构体系相比，使用减隔震技术在地震作用下有明显防御优势。如上文所述传统抗震设计主要依靠结构的弹塑性变形以及滞回环耗能能力，地震作用下允许结构出现一定程度的损坏，但此类损坏一般无法逆转。且地震发生时，其烈度存在一定的随机性质，如果仅将地震作用考虑成一种固定不变的荷载，在实际工程中将存在不可消除的误差，最终导致结构实际抗震效果与设计效果存在一定的差距，尤其是出现罕遇地震时，结构的安全性很难得到保证。

隔震装置的水平刚度相较于上部结构的刚度非常小，因此，在地震中上部结构的水平变形由传统的剧烈的自下到上不断加大的晃动，变成了缓慢的均匀的整体平动，层间变形得到有效的控制，确保在强震时上部结构依然是处于弹性变形阶段，提高结构整体安全性；并且减震装置是结构耗散地震能量的重要组成部分能够很快消耗大量地震能量，大大减小结构的地震响应，从而避免主体结构构件破坏；同时减震装置不是承重构件，仅能对地震能量进行耗散作用，但并不改变结构承载能力及其安全性能。并且运用减隔震技术设计的结构体系更加经济，随着相关技术的不断推进，各类新型装置与系统不断日趋完善，减隔震技术将越来越具有优越性。

2 减隔震技术的应用

2.1桥墩处的震害及原因

桥墩作为公路桥梁的重要支承构件，在地震作用下，桥墩极易出现开裂、系梁位移等情况，最终导致桥梁结构出现损坏[3]。桥墩对于地震的反应较为强烈，作为承担地震惯性力的主要构件，如果桥墩出现破坏其上部结构也就无法幸免，所以作为主要考虑因素。

2.1.1桥墩处的震害

地震时，在水平荷载反复作用下，会造成结构混凝土保护层脱落、钢筋屈曲、内部混凝土压碎或崩裂，最终使得结构承载能力大幅下降[1]。以及随着截面弯矩不断扩大，斜方向的斜裂缝出现，局部斜裂缝进一步发展，最终发生剪切破坏。桥梁下部结构的稳定与完整遭到严重影响，并且情况严重会造成上部结构倒塌并且难以修复，这就为桥梁安全埋下了极大的隐患，也为抢险救援提出了非常大的难题。

2.1.2桥墩震害原因

地震时，在水平荷载反复作用下，当钢混桥墩的抗弯承载能力低于抗剪承载能力将会产生弯曲破坏，当水平荷载反复作用时，由于结构抗弯性能较差，结构受损截面处将会形成塑性铰区，产生较大回转变形，达到最终破坏时其变形程度将会更为巨大，由此达到吸收地震能量的作用；但当钢混桥墩产生弯曲破坏导致抗剪承载能力削弱，在地震作用下将会发生弯减破坏，弯剪破坏是一种脆性破坏，弯剪破坏主要形成剪切斜裂缝；当钢筋混凝土桥墩的抗弯承载能力高于其抗剪承载能力结构的强度完全由剪切强度控制，在地震作用下极有可能发生剪切破坏，剪切破坏使得主要破坏形态是一条斜向的剪切裂缝，剪切破坏是一种脆性破坏，变形极小吸收能量很少。

在地震作用时，延性较差的结构发生的破坏，往往导致倒塌性破坏，基本无法修复，所以弯剪破坏和剪切破坏是地震时最不希望出现的两种破坏形式。也是桥梁抗震设计中必须要重点考虑的一个方面。

2.2减隔震技术应用条件及步骤

2.2.1减隔震技术应用条件

减隔震技术并非完全适用于所有情况，必须对具体工程进行分析，判断其是否适用，然后才进行相应的减隔震装置的选择与布设，同时需要考虑其他重要构件以及相关的细部构造，确保达到设计效果。

在桥梁设计中减隔震的应用，必须要明确其基本的适用范围，得以确保桥梁减隔震设计得以有效发挥。如果处在软弱场地，地基处于松软状态，采取柔性支撑延长结构自振周期后非常容易出现共振的现象，此时将不能采取桥梁工程减隔震技术设计，否则必然会导致工程安全隐患；并且在地震时，易液化的场地极有可能会失效，所以在地质勘探时要及时考虑场地的不利影响；采用减隔震技术时要完全避开支座处存在负反力的情况。

研究发现，减隔震技术应用前提必须要了解工程结构的实际情况。上部结构需要有较强的整体性并拥有较好的连续状态，下部结构须拥有足够的刚度，且在桥梁短周期内能够科学的应用减隔震技术进行桥梁抗震设计[4]。由于桥梁设计过程有一定的复杂性，桥梁下部结构刚度不均匀和其高度不规则的变化，会将地震的影响放大，因此对桥墩的刚度进行充分考虑，合理利用减隔震装置，并通过它调节桥墩的刚度，避免大惯性力力对桥梁结构带来的不利影响。

2.2.1减隔震技术应用步骤

首先，在减隔震技术运用前必须对桥梁设计项目进行确实的考察调研，对各方面条件进行全面精确分析，确定该项工程能够使用减隔震技术，保证设计方案的可行性与安全性；确认可以使用减隔震技术，结合具体的桥梁工程项目展开设计，明确设计点与设计目标；按照桥梁结构抗震设计要求，对桥梁减隔震装置进行针对性选择，确保最后结构抗震性能准确可靠；在正式将减隔震技术投入使用前，再一次对周围环境展开勘测调查，明确地质条件符合减隔震技术运用的条件；减隔震技术正式使用时，必须定期安排人员队间隔震装置进行相应检查和维护，以及一些相应的调整，确保地震来临时减隔震装置能够正常的工作，为桥梁的安全稳定提供保障。

2.3减隔震技术应用

2.3.1板式橡胶支座

板式橡胶支座是将薄的橡胶层和钢板层多次叠合，并加入一定量的填充剂、补强剂及抗老化剂，经高温、加压，硫化制作而成[1]。由于钢板限制了橡胶板的横向变形，因此使其具有较大的竖向刚度。并且钢板不会限制橡胶层的剪切变形，从而使得橡胶的弹性性质得以保留，使其水平刚度比竖向刚度大幅减少，因此能够进行水平抗震和竖向支承的作用。

2.3.2铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座由普通橡胶支座和高纯度铅芯组合形成。普通橡胶层主要提供支座工作所需竖向承载能力以及抗震所需的水平恢复力，而使用高纯度铅芯吸收和消耗部分绝大部分地震能量[5]。高纯铅芯的初始剪切模量较高，弹塑性能相对较理想。因此，即使在强地震条件下，铅芯橡胶支座隔震装置也能够达到耗散地震能量的作用，并满足正常的刚度需求，因此它既能满足减震要求，也能起着隔震作用。

2.3.3高阻尼橡胶支座

高阻尼橡胶支座主要是由特制橡胶制作而成，阻尼比是其它普通橡胶支座的2-4倍。地震作用下，特制橡胶里面的纤维塑料和石墨颗粒运动所产生的热量将会对地震能量进行耗散，与普通橡胶支座相比，其具有更加优秀的减震耗能效果[5]。由此节省更多的空间，施工也更为方便。

2.3.4滑动摩擦摆式减隔震支座

地震时，滑动摩擦型支座支撑梁体所受摩擦力小于惯性力时，梁体与支座之间产生相对滑移，既而达到延长结构自振周期的效果[6]。滑动摩擦摆减隔震支座将滑动摩擦支座与摆钟的概念深度结合，是一种新型的减隔震装置，通过滑动和简单的曲型滑动面延长结构的自振周期，并且能够拥有自动复位的能力，从而达到隔震的目的。

2.3.5液体黏滞阻尼器。

液体黏滞阻尼器由活塞、缸体和高分子黏性液组成，具体原理是通过对活塞运动前后压力差异的运用，引导滞流体通过节流孔过程中产生相应消耗与阻尼力[6]。相关研究表示，液体黏滞阻尼器能够提供的阻尼力与活塞相对于容器的运动速度有极大的关系，虽然液体黏滞阻尼器可以耗散地震的能量，减少地震对结构的影响，但是它并没有自动复位功能，常常需要与其他拥有自动复位功能的减隔震装置一起使用。

3 减隔震技术现状

3.1我国减隔震技术应用现状

我国减隔震技术运用时间较短，多方面技术需进一步提升和完善，由此对于减隔震技术并没有丰富的经验能够指导实际施工，所以常常会导致实际项目难以达到预期减隔震目标。因为减隔震技术相关配套技术的研究发展较为落后，所以在对桥梁结构运用减隔震技术的时候，还需要各种各样的技术来进行配合比如建筑技术、材料技术以及地质勘探技术等等[7]。由于我国缺少相关的实行方案，以及施工单位的技术水平缺乏，因此，极大地限制了减隔震技术的发展与完善。同时，我国减隔震技术起步较晚，技术应用时间不长，相关工程人员以及设计人员缺乏减隔震相关技术的施工经验，在施工时会出现各类问题却又由于自身水平限制难以解决，最终导致施工不能有效顺利进行下去，造成工期的延误。

3.2国际上减隔震技术应用

20世纪中叶以来，国外减隔震技术发展迅猛，并且在隔震和减震技术方面逐步引领世界。新西兰1973-1993年共有48座桥梁应用了桥梁减隔震技术;美国第一次采用隔震系统是在1979年；日本的桥梁中,除一座桥梁采用了高阻尼橡胶支座外，其他桥梁橡胶支座大力采用减隔震技术[8]。并且一些国家生产的高阻尼橡胶支座其阻尼比可以达到0.15左右。日本还针对台风以及地震等极端恶劣的情况，采用新型的计算方法，通过理论论证和模型实验研究确保桥梁抵抗外部灾害的能力。欧盟以及美国等减隔震技术都在不断的创新运用。

3.3发展与对策

首先，要充分认识桥梁抗震中减隔震技术所处的重要地位，积极应用国外优秀的科研成果，与国内情况相结合把最新的技术运用到实际工程中；汲取国内大震的相关经验及教训，调整或提高我国结构抗震设计标准，建立国内桥梁风险相应的数据库，为此后的设计以及桥梁结构的安全性提供参考依据，也为研究桥梁抗震提供更多相关的资料，从而设立相关的参照标准，提高桥梁的抵抗突然灾害的能力，减轻或者避免重大灾害对桥梁的影响；在准确、详细的灾害调查基础上，为建立安全的防灾设计体系提供科学依据。同时推进对桥梁的防护与检测和新型材料的开发与在实际工程中的应用；应积极参加国际抗震会议，与国际领域相关专业人士进行学术交流，分享最新科研成果，时刻关注国外抗震相关领域的趋势，收集最新成果，大力推进我国桥梁事业的不断进步。

4 结论

地震对于桥梁结构的破坏是多样的，影响是巨大的，随着社会不断的发展，减隔震技术应用在不断的发展，许多新型材料和技术运用在减隔震技术上，从而提高桥梁本身的抗震性能。

我国减隔震技术起步应用较晚，与世界发达国家之间的减隔震技术水平还有不小的差距，为提高桥梁抗震能力以确保桥梁的安全性，还需要科研工作者不断深入研究探索减隔震技术。

参考文献

[1] 谷岩. 桥梁抗震与抗风[M].天津大学出版社,2019.

[2] 周润翔.桥梁结构中的减隔震技术原理研究[J].建设科技,2020(07):87-90.

[3] 习强.桥梁抗震设计及减隔震技术应用[J].交通世界,2018(12):108-109+117.

[4] 周秀贞.公路桥梁设计中抗震与减隔震技术的应用探究[J].青海交通科技,2018(04):98-100.

[5] 左维,汪竹英.减隔震技术在桥梁结构设计中的应用[J].交通世界,2020(31):114-115+139.

[6] 刘亚洲.现代桥梁结构设计中减隔震技术的应用分析[J].科技创新与应3用,2019(22):167-168.

[7] 张炯.桥梁结构设计中的减隔震技术的应用分析[J].绿色环保建材,2018(04):127.

[8] 穆祥纯.论中外城市桥梁减、隔震的技术创新[J].城市道桥与防洪,2016(08):60-64+9.

个人简介：姓名： 段国民，身份证：532930198708021114. 

个人简介：姓名： 杨孙源，身份证： 533221199009024317.