论文部分内容阅读
【摘 要】 公路桥梁的地震危害是很严重的，桥梁设计已经将减隔震工作当做是其中重要的一项，尽管减隔震方法对于我国的现状来说并不算成熟，因此应当注意借鉴国外的技术来达到完成工作，完善项目，突出科学性引导性的目的，提升桥梁的抗震能力。本文将对桥梁设计中的减隔震设计进行探讨，以供同行参考。
【关键词】 公路桥梁;震害;减隔震设计
前言：
隔震设计是近年来随着对地震产生机理、地震動特性以及地震作用下结构动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究及认识的加深提出的设计方法。该方法在减轻结构在地震中的损害上有较新的设计思想，国外的一些实践证明效果不错，国内的实践应用还比较少。
1、引起公路桥梁震害的原因
大量的震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有以下几个方面：（1）在强烈地震时，地形地貌产生剧烈的变化，如地裂、断层等导致桥梁结构的破坏;（2）地震导致砂土液化，地基失效或地基变形，桥梁墩台基础大量下沉或不均匀下沉引起的破坏;（3）在地震力作用下，桥梁结构某一部分产生的内力或变位超过结构构造和材料强度所能承受的限度，从而发生不同程度的破坏，如墩柱、盖梁、节点、基脚等的破坏，或是由以上三种或更多种原因联合作用导致桥梁坍塌;（4）山区山体滑坡、塌方等大块坠石等对桥梁的巨大冲击致使山区桥梁的破坏;（5）桥梁本身的施工质量。
2、破坏类型
2.1梁体的移位和落梁
因为桥梁上部结构有很大的强度，在地震时很少会产生直接破坏的现象。但是如果地震荷载比较大，则由梁体自重产生的巨大地震惯性力可引起梁体的位移，导致梁体碰撞损坏。统计表明，地震中梁体的偏移较多，而落梁破坏相对较少。落梁是梁体移位的极端表现形式，是桥梁最严重的震害之一。另外，梁体的偏移或落梁还会引起下部结构的破坏，如落梁砸坏系梁及挡块等。
2.2支座破坏
在地震荷载作用下，桥梁结构瞬间会因巨大地震惯性力而造成支座的损坏或失效。由于支座的失效，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移、严重时可能造成上、下部结构脱开，导致梁体脱落。支座的破坏形式主要表现为支座移位、锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落，以及支座本身构造上的破坏等。
3、桥梁设计中减隔震技术的工作原理
桥梁减隔震主要是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来，降低桥梁结构的地震力。桥梁结构设计人员为了实现这个目标，可以延长桥梁结构的周期，从而避开地震的卓越周期，能够有效的减少地震作用传入到桥梁结构中。桥梁的隔震是在桥梁的建筑或地基中通过设置控制结构，从而隔离由于地震带来的巨大能量的作用，使桥梁在建筑中受到的地震动减小，降低了地震中巨大能量的传输，保障桥梁的安全。桥梁设计中的隔震设计能够减少上下部结构的震动反应，它是利用隔震层上部和橡胶支座组合成耗能器，来吸收地面震动带来的巨大能量。桥梁设计中隔震结构和基础隔震结构不同，是在桥梁结构中间增加隔震层，使隔震层向上移动，当隔震层移动到桥梁的中间部位时，依然能对桥梁的上部结构产生吸能隔震作用。在设计隔震层时，由于隔震层的位置其工作原理也不同，因此需根据实际情况，选用合适的设计方法。对位于隔热板下面的隔震结构，设计步骤：计算核计质量比，根据核计质量比、阻尼以及最优频率设计出桥梁隔离层的水平稳定，最后确定隔震支座的数量。对于位于隔热板中间的隔震结构，不能采用和基础隔震结构一样的方案，需要根据实际的桥梁建筑情况设计，具体设计步骤：根据质量比得出隔震层的实际质量，找到对应的阻尼比，根据原结构固有频率得出隔震层频率以及刚度，最大化的放大隔震层的减震效果，通过现场实际测量效果，从优选择。
4、桥梁减隔震装置介绍
4.1分层橡胶支座
桥梁分层橡胶支座也称为板式橡胶支座，它的基本结构由橡胶薄皮和薄钢板交叉构成，有圆形形状或者矩形形状的支座平面。在具体的桥梁抗震设计中，需要考虑分层的橡胶支座刚度以及阻尼系数。分层橡胶支座的水平刚度，为上板面和下板面发生位移时产生的水平剪力。分层的橡胶支座需要通过一定的变形来提供阻尼，阻尼和分层的橡胶支座变形速度有关。分层的橡胶支座主要材料为天然橡胶，其阻尼比为5%～10%。桥梁分层的橡胶支座力与位移的曲线是狭长形的，由于分层的橡胶支座提供的阻尼很少，所以在桥梁减震设计中，需要和阻尼器结合一起使用。
4.2滑动摩擦式支座
桥梁的滑动摩擦式支座也称作聚四氟乙烯滑板支座，它通过不锈钢以及聚四氟乙烯的摩擦系数设计而成。滑动摩擦式支座具有很小的摩擦系数，水平伸缩时可以产生很大的位移。当地震发生时，滑动摩擦式支座的上部结构发生滑动，把上部结构传递给下部结构的地震力转化为滑动摩擦式支座的最大摩擦力，通过上部结构和下部结构之间的摩擦来减低地震带来的能量。桥梁的滑动摩擦式支座的缺点是不能进行自动复位，也没有很好的可靠性及可预测性，决定了它需要与橡胶支座和阻尼器一块使用。
4.3刚阻尼器
桥梁设计中的刚阻尼器是通过钢材的塑性变形来降低地震带来的能量。刚阻尼器分为三种，一种是有横向加载臂的弯曲梁阻尼器，它的弯曲梁具有均匀的弯矩;一种是悬臂的弯曲梁阻尼器，它的悬臂呈现出锥形;还有一种是横向加载臂的阻尼器。这些刚阻尼器的共同优点是不需要特殊的设备进行制作，费用低，也很结实耐用，具有很好的抗震能力。根据相关实验资料，这些刚阻尼器可以用双线性来表示滞回曲线。在具体类型刚阻尼器的选择过程中需要根据不同的放置位置、连接结构以及产生的水平位移多少来选择。桥梁的刚阻尼器经常结合橡胶隔震支座使用，悬臂的刚阻尼器结合聚四氟乙烯支座是经常采用的组合。
应用粘滞阻尼器在桥梁中，一般将粘滞阻尼器设置在塔梁中央，加劲梁和桥边墩中央或者加劲梁和辅助墩中央的位置。合理的应用粘滞阻尼器可以提高桥梁抗震安全性能。
4.4铅芯橡胶支座
桥梁的铅芯橡胶支座，需要在板式橡胶支座的中间部位压入高纯度铅芯来改善阻尼性能。高纯度铅芯力学特征良好，屈服剪力较低，可以保持在10MPa左右，初始剪力刚度可达130MPa，高纯度铅芯良好的弹塑性性能和耐疲劳性能，可以很好地消耗地震带来的能量和提供静力负荷需要的刚度。分层橡胶支座结合铅芯形成的铅芯橡胶支座具有良好减震装置的特性，遇到地震时，铅芯屈服，铅芯刚度减少，使桥梁的结构周期加大，消耗了地震带来的能量;遇到较低水平力时，高纯度钢芯可以保持较高初始刚度，发生很小的形变。
4.5双曲面球型减隔震支座
双曲面球型减隔震支座是在普通球型支座的基础上，通过大半径球面摩擦副取代平面摩擦副，且设置抗剪螺栓。地震发生时，如果横向力超过限值时，抗剪螺栓被剪断，支座的横向限位约束被解除，大半径球面摩擦副横向即可自由滑动，地震的能量在动、势能之间反复转换，摩擦阻力消耗地震能量。双曲面球型减隔震支座，结构简单、耐久性优异，有较大的发展前景。
5、结束语
桥梁减隔震设计是现代桥梁工程的重要组成部分，虽然我国桥梁的隔震设计和西方发达国家相比还有一些差距，但可以借助于以往国内外桥梁隔震技术的设计经验，提高我国桥梁隔震设计的水平，为我国交通线的畅通提供保障。
参考文献：
[1]范松山.试论桥梁减隔震的反应谱分析方法[J].技术与市场，2009，1.
[2]魏红一，逯宗典，王志强.近场简支梁铅芯橡胶支座隔震特性分析[J].同济大学学报，2010，1.
[3]巩雯.减隔震技术在桥梁抗震中的应用[J].山西建筑，2009，22.
[4]范立础等.。桥梁抗震设计理论及应用。丛书之二.桥梁减隔震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.
[5]（美）普瑞斯特雷（Priestey，M.J.N.）等著.袁万城等译.桥梁抗震设计与加固[M].北京：人民交通出版社，1997.
[6]交通部部标准.公路工程抗震设计规范（JTJ044-89）.北京：人民交通出版社，1989.
【关键词】 公路桥梁;震害;减隔震设计
前言：
隔震设计是近年来随着对地震产生机理、地震動特性以及地震作用下结构动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究及认识的加深提出的设计方法。该方法在减轻结构在地震中的损害上有较新的设计思想，国外的一些实践证明效果不错，国内的实践应用还比较少。
1、引起公路桥梁震害的原因
大量的震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有以下几个方面：（1）在强烈地震时，地形地貌产生剧烈的变化，如地裂、断层等导致桥梁结构的破坏;（2）地震导致砂土液化，地基失效或地基变形，桥梁墩台基础大量下沉或不均匀下沉引起的破坏;（3）在地震力作用下，桥梁结构某一部分产生的内力或变位超过结构构造和材料强度所能承受的限度，从而发生不同程度的破坏，如墩柱、盖梁、节点、基脚等的破坏，或是由以上三种或更多种原因联合作用导致桥梁坍塌;（4）山区山体滑坡、塌方等大块坠石等对桥梁的巨大冲击致使山区桥梁的破坏;（5）桥梁本身的施工质量。
2、破坏类型
2.1梁体的移位和落梁
因为桥梁上部结构有很大的强度，在地震时很少会产生直接破坏的现象。但是如果地震荷载比较大，则由梁体自重产生的巨大地震惯性力可引起梁体的位移，导致梁体碰撞损坏。统计表明，地震中梁体的偏移较多，而落梁破坏相对较少。落梁是梁体移位的极端表现形式，是桥梁最严重的震害之一。另外，梁体的偏移或落梁还会引起下部结构的破坏，如落梁砸坏系梁及挡块等。
2.2支座破坏
在地震荷载作用下，桥梁结构瞬间会因巨大地震惯性力而造成支座的损坏或失效。由于支座的失效，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移、严重时可能造成上、下部结构脱开，导致梁体脱落。支座的破坏形式主要表现为支座移位、锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落，以及支座本身构造上的破坏等。
3、桥梁设计中减隔震技术的工作原理
桥梁减隔震主要是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来，降低桥梁结构的地震力。桥梁结构设计人员为了实现这个目标，可以延长桥梁结构的周期，从而避开地震的卓越周期，能够有效的减少地震作用传入到桥梁结构中。桥梁的隔震是在桥梁的建筑或地基中通过设置控制结构，从而隔离由于地震带来的巨大能量的作用，使桥梁在建筑中受到的地震动减小，降低了地震中巨大能量的传输，保障桥梁的安全。桥梁设计中的隔震设计能够减少上下部结构的震动反应，它是利用隔震层上部和橡胶支座组合成耗能器，来吸收地面震动带来的巨大能量。桥梁设计中隔震结构和基础隔震结构不同，是在桥梁结构中间增加隔震层，使隔震层向上移动，当隔震层移动到桥梁的中间部位时，依然能对桥梁的上部结构产生吸能隔震作用。在设计隔震层时，由于隔震层的位置其工作原理也不同，因此需根据实际情况，选用合适的设计方法。对位于隔热板下面的隔震结构，设计步骤：计算核计质量比，根据核计质量比、阻尼以及最优频率设计出桥梁隔离层的水平稳定，最后确定隔震支座的数量。对于位于隔热板中间的隔震结构，不能采用和基础隔震结构一样的方案，需要根据实际的桥梁建筑情况设计，具体设计步骤：根据质量比得出隔震层的实际质量，找到对应的阻尼比，根据原结构固有频率得出隔震层频率以及刚度，最大化的放大隔震层的减震效果，通过现场实际测量效果，从优选择。
4、桥梁减隔震装置介绍
4.1分层橡胶支座
桥梁分层橡胶支座也称为板式橡胶支座，它的基本结构由橡胶薄皮和薄钢板交叉构成，有圆形形状或者矩形形状的支座平面。在具体的桥梁抗震设计中，需要考虑分层的橡胶支座刚度以及阻尼系数。分层橡胶支座的水平刚度，为上板面和下板面发生位移时产生的水平剪力。分层的橡胶支座需要通过一定的变形来提供阻尼，阻尼和分层的橡胶支座变形速度有关。分层的橡胶支座主要材料为天然橡胶，其阻尼比为5%～10%。桥梁分层的橡胶支座力与位移的曲线是狭长形的，由于分层的橡胶支座提供的阻尼很少，所以在桥梁减震设计中，需要和阻尼器结合一起使用。
4.2滑动摩擦式支座
桥梁的滑动摩擦式支座也称作聚四氟乙烯滑板支座，它通过不锈钢以及聚四氟乙烯的摩擦系数设计而成。滑动摩擦式支座具有很小的摩擦系数，水平伸缩时可以产生很大的位移。当地震发生时，滑动摩擦式支座的上部结构发生滑动，把上部结构传递给下部结构的地震力转化为滑动摩擦式支座的最大摩擦力，通过上部结构和下部结构之间的摩擦来减低地震带来的能量。桥梁的滑动摩擦式支座的缺点是不能进行自动复位，也没有很好的可靠性及可预测性，决定了它需要与橡胶支座和阻尼器一块使用。
4.3刚阻尼器
桥梁设计中的刚阻尼器是通过钢材的塑性变形来降低地震带来的能量。刚阻尼器分为三种，一种是有横向加载臂的弯曲梁阻尼器，它的弯曲梁具有均匀的弯矩;一种是悬臂的弯曲梁阻尼器，它的悬臂呈现出锥形;还有一种是横向加载臂的阻尼器。这些刚阻尼器的共同优点是不需要特殊的设备进行制作，费用低，也很结实耐用，具有很好的抗震能力。根据相关实验资料，这些刚阻尼器可以用双线性来表示滞回曲线。在具体类型刚阻尼器的选择过程中需要根据不同的放置位置、连接结构以及产生的水平位移多少来选择。桥梁的刚阻尼器经常结合橡胶隔震支座使用，悬臂的刚阻尼器结合聚四氟乙烯支座是经常采用的组合。
应用粘滞阻尼器在桥梁中，一般将粘滞阻尼器设置在塔梁中央，加劲梁和桥边墩中央或者加劲梁和辅助墩中央的位置。合理的应用粘滞阻尼器可以提高桥梁抗震安全性能。
4.4铅芯橡胶支座
桥梁的铅芯橡胶支座，需要在板式橡胶支座的中间部位压入高纯度铅芯来改善阻尼性能。高纯度铅芯力学特征良好，屈服剪力较低，可以保持在10MPa左右，初始剪力刚度可达130MPa，高纯度铅芯良好的弹塑性性能和耐疲劳性能，可以很好地消耗地震带来的能量和提供静力负荷需要的刚度。分层橡胶支座结合铅芯形成的铅芯橡胶支座具有良好减震装置的特性，遇到地震时，铅芯屈服，铅芯刚度减少，使桥梁的结构周期加大，消耗了地震带来的能量;遇到较低水平力时，高纯度钢芯可以保持较高初始刚度，发生很小的形变。
4.5双曲面球型减隔震支座
双曲面球型减隔震支座是在普通球型支座的基础上，通过大半径球面摩擦副取代平面摩擦副，且设置抗剪螺栓。地震发生时，如果横向力超过限值时，抗剪螺栓被剪断，支座的横向限位约束被解除，大半径球面摩擦副横向即可自由滑动，地震的能量在动、势能之间反复转换，摩擦阻力消耗地震能量。双曲面球型减隔震支座，结构简单、耐久性优异，有较大的发展前景。
5、结束语
桥梁减隔震设计是现代桥梁工程的重要组成部分，虽然我国桥梁的隔震设计和西方发达国家相比还有一些差距，但可以借助于以往国内外桥梁隔震技术的设计经验，提高我国桥梁隔震设计的水平，为我国交通线的畅通提供保障。
参考文献：
[1]范松山.试论桥梁减隔震的反应谱分析方法[J].技术与市场，2009，1.
[2]魏红一，逯宗典，王志强.近场简支梁铅芯橡胶支座隔震特性分析[J].同济大学学报，2010，1.
[3]巩雯.减隔震技术在桥梁抗震中的应用[J].山西建筑，2009，22.
[4]范立础等.。桥梁抗震设计理论及应用。丛书之二.桥梁减隔震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.
[5]（美）普瑞斯特雷（Priestey，M.J.N.）等著.袁万城等译.桥梁抗震设计与加固[M].北京：人民交通出版社，1997.
[6]交通部部标准.公路工程抗震设计规范（JTJ044-89）.北京：人民交通出版社，1989.