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摘要：减隔震设计是一种能有效减轻结构在地震中遭受损坏的设计方法。本文简要介绍桥梁抗震设计方法的发展和常用的减隔震装置，详细阐述了桥梁隔震设计的具体方法，供大家参考。
关键词: 桥梁 隔震设计橡胶支座阻尼
1 前言
桥梁的抗震设计是桥梁设计人员经常遇到的问题。当前的抗震设计规范以强度作为设计的依据就是说设计的构件强度高于地震需求强度即可。这通常给设计人员造成一种错觉，不考虑结构的变形能力，认为只要满足规范规定的结构强度即可使结构达到预期的抗震性能。其实，规范允许利用结构的屈服耗能来进行抗震设计。在吸取震害经验、教训的基础上，伴随着对地震产生机理、地震动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表明，要使结构能有效的发挥其抗震能力，就必须在强度、变形能力等方面给予全面的充分的考虑。通过设计使构件具有足够的延性变形能力来实现结构预期的屈服顺序和抗震所需的必要变形能力和耗能能力，可以简单的理解为减隔震设计方法，值得设计人员借鉴采用。
2 桥梁抗震设计方法的发展
2．1 基于强度的设计方法
早期的抗震设计基本采用基于强度的抗震设计方法，将地震力当作静荷载进行结构分析，以结构构件的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。且该方法是目前许多抗震设计规范仍采用的设计方法。
2．2 基于延性的设计方法
结合桥梁结构弹塑性破坏的特点，一些学者提出了基于反应谱的延性抗震设计方法。该方法采用地震力修正系数调整反应谱加速度或弹性分析的地震内力，来反映不同结构的延性需求。如美国AASHTO桥梁设计规范就针对桥墩、基础、支座等构件，采用不同的地震反应修正系数R对弹性地震力进行折减，得到设计地震力。
2．3 基于性能的抗震设计
基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要指结构在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能达到一组预期的性能目标。基于性能的抗震设计是使设计出的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续和维持。基于性能的抗震设计的特点是使抗震设计从宏观定性的Et标向具体量化的多重目标过渡，将抗震设计由以保障人们生命安全为基本目标转化为不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标，从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命财产安全，满足业主所需的结构性能目标。基于性能的抗震设计内容主要包括：1)科学的定义和确定地震危险性；2)确定结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平和性能指标；3)设计方法，主要包括承载力设计方法、位移设计方法和能量设计方法等。
3 常用的减隔震装置
3．1叠层橡胶支座
叠层橡胶支座是国内桥梁结构中使用最多的隔震器，它由橡胶片与钢板交替叠合粘接而成。由于钢板对橡胶片横向变形产生约束，使叠层橡胶垫具有非常大的竖向刚度；在水平刚度方面，薄钢板不影响橡胶的剪切变形，因而保持了橡胶固有的柔韧性。橡胶支座主要是靠增加桥粱结构的柔性，从而延长结构的周期来达到减震的效果。但是，叠层橡胶支座在减小桥墩、台受到地震荷载的同时，也增加了梁体与墩、台之间的相对位移，因此具有一定的局限性。
3．2聚四氟乙烯支座
聚四氟乙烯滑动支座是利用聚四氟乙烯摩擦系数较小的特点，将其粘帖在支座上表面，另在梁底部支撑处设置一块有一定光洁度的不锈钢钢板，使钢板能在支座表面上来回滑动，从而可以满足较大的横向位移的要求，属于一种柔性支座。聚四氟乙烯支座隔震的优点是对输入地震波频率特性不敏感，但由于它不具有向平衡位置的恢复力特性，使梁体与墩、台之间的相对位移很难控制。
3．3 铅芯橡胶支座和新型减震支座
铅芯橡胶支座把橡胶和弹塑性阻尼较好的结合在一起，具有较好的减隔震效果铅芯橡胶支座是一种集隔震器、阻尼器于一体的隔震支座。它是在普通橡胶支座中加入铅棒制造而成。铅具有屈服应力较低、滞回曲线丰满的特点，同时还是一种较好的阻尼器。通过实验研究证明铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性，其初始刚度可以达到普通叠层橡胶支座的10倍以上，其屈后刚度接近于普通叠层橡胶支座的剪切刚度。铅芯橡胶支座是解决中短跨桥梁抗震问题简单、可靠的方法，但是铅芯橡胶支座耐久性差、稳定性不高、承载能力有限，这些都限制了其在桥梁减隔震上的使用和发展。
3．4双曲面球型减隔震支座
双曲面球型减隔震支座是一种新型支座，是在普通球型支座的基础上，用大半径球面摩擦副取代平面摩擦副，并设置抗剪螺栓。它由上座板、中座板、下座板、上球面不锈钢滑板、下球面不锈钢滑板、上四氟滑板、下四氟滑板、抗剪螺栓及防塵密封裙等几部分组成。地震发生时，如果横向力超过给定值时，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，地震产生的能量在动能和势能之间反复转换，摩擦阻力逐渐消耗地震能量。双曲面球型减隔震支座)结构简单、耐久性优异，其未来的发展前景巨大。
4 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。
4.1 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。
4.2 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。
5 结语
随着人类对地震灾害特性和桥梁工程震害特点的深化认识和深入研究，桥梁抗震设计方法经历了从强度、延性设计到基于性能发展的过程，伴随桥梁减隔震技术的发展和应用，将大大提高地震作用下桥梁的安全性，减轻地震损失，并为震区的震后交通生命线畅通和救灾工作的顺利提供有力保障。
关键词: 桥梁 隔震设计橡胶支座阻尼
1 前言
桥梁的抗震设计是桥梁设计人员经常遇到的问题。当前的抗震设计规范以强度作为设计的依据就是说设计的构件强度高于地震需求强度即可。这通常给设计人员造成一种错觉，不考虑结构的变形能力，认为只要满足规范规定的结构强度即可使结构达到预期的抗震性能。其实，规范允许利用结构的屈服耗能来进行抗震设计。在吸取震害经验、教训的基础上，伴随着对地震产生机理、地震动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表明，要使结构能有效的发挥其抗震能力，就必须在强度、变形能力等方面给予全面的充分的考虑。通过设计使构件具有足够的延性变形能力来实现结构预期的屈服顺序和抗震所需的必要变形能力和耗能能力，可以简单的理解为减隔震设计方法，值得设计人员借鉴采用。
2 桥梁抗震设计方法的发展
2．1 基于强度的设计方法
早期的抗震设计基本采用基于强度的抗震设计方法，将地震力当作静荷载进行结构分析，以结构构件的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。且该方法是目前许多抗震设计规范仍采用的设计方法。
2．2 基于延性的设计方法
结合桥梁结构弹塑性破坏的特点，一些学者提出了基于反应谱的延性抗震设计方法。该方法采用地震力修正系数调整反应谱加速度或弹性分析的地震内力，来反映不同结构的延性需求。如美国AASHTO桥梁设计规范就针对桥墩、基础、支座等构件，采用不同的地震反应修正系数R对弹性地震力进行折减，得到设计地震力。
2．3 基于性能的抗震设计
基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要指结构在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能达到一组预期的性能目标。基于性能的抗震设计是使设计出的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续和维持。基于性能的抗震设计的特点是使抗震设计从宏观定性的Et标向具体量化的多重目标过渡，将抗震设计由以保障人们生命安全为基本目标转化为不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标，从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命财产安全，满足业主所需的结构性能目标。基于性能的抗震设计内容主要包括：1)科学的定义和确定地震危险性；2)确定结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平和性能指标；3)设计方法，主要包括承载力设计方法、位移设计方法和能量设计方法等。
3 常用的减隔震装置
3．1叠层橡胶支座
叠层橡胶支座是国内桥梁结构中使用最多的隔震器，它由橡胶片与钢板交替叠合粘接而成。由于钢板对橡胶片横向变形产生约束，使叠层橡胶垫具有非常大的竖向刚度；在水平刚度方面，薄钢板不影响橡胶的剪切变形，因而保持了橡胶固有的柔韧性。橡胶支座主要是靠增加桥粱结构的柔性，从而延长结构的周期来达到减震的效果。但是，叠层橡胶支座在减小桥墩、台受到地震荷载的同时，也增加了梁体与墩、台之间的相对位移，因此具有一定的局限性。
3．2聚四氟乙烯支座
聚四氟乙烯滑动支座是利用聚四氟乙烯摩擦系数较小的特点，将其粘帖在支座上表面，另在梁底部支撑处设置一块有一定光洁度的不锈钢钢板，使钢板能在支座表面上来回滑动，从而可以满足较大的横向位移的要求，属于一种柔性支座。聚四氟乙烯支座隔震的优点是对输入地震波频率特性不敏感，但由于它不具有向平衡位置的恢复力特性，使梁体与墩、台之间的相对位移很难控制。
3．3 铅芯橡胶支座和新型减震支座
铅芯橡胶支座把橡胶和弹塑性阻尼较好的结合在一起，具有较好的减隔震效果铅芯橡胶支座是一种集隔震器、阻尼器于一体的隔震支座。它是在普通橡胶支座中加入铅棒制造而成。铅具有屈服应力较低、滞回曲线丰满的特点，同时还是一种较好的阻尼器。通过实验研究证明铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性，其初始刚度可以达到普通叠层橡胶支座的10倍以上，其屈后刚度接近于普通叠层橡胶支座的剪切刚度。铅芯橡胶支座是解决中短跨桥梁抗震问题简单、可靠的方法，但是铅芯橡胶支座耐久性差、稳定性不高、承载能力有限，这些都限制了其在桥梁减隔震上的使用和发展。
3．4双曲面球型减隔震支座
双曲面球型减隔震支座是一种新型支座，是在普通球型支座的基础上，用大半径球面摩擦副取代平面摩擦副，并设置抗剪螺栓。它由上座板、中座板、下座板、上球面不锈钢滑板、下球面不锈钢滑板、上四氟滑板、下四氟滑板、抗剪螺栓及防塵密封裙等几部分组成。地震发生时，如果横向力超过给定值时，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，地震产生的能量在动能和势能之间反复转换，摩擦阻力逐渐消耗地震能量。双曲面球型减隔震支座)结构简单、耐久性优异，其未来的发展前景巨大。
4 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。
4.1 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。
4.2 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。
5 结语
随着人类对地震灾害特性和桥梁工程震害特点的深化认识和深入研究，桥梁抗震设计方法经历了从强度、延性设计到基于性能发展的过程，伴随桥梁减隔震技术的发展和应用，将大大提高地震作用下桥梁的安全性，减轻地震损失，并为震区的震后交通生命线畅通和救灾工作的顺利提供有力保障。