摘要： 桥梁工程作为生命线工程的重要组成部分，应尽量减少其在地震作用下的破坏。桥梁的减、隔震设计是目前常用的桥梁抗震方案。本文对于桥梁延性抗震思想和减、隔震设计进行了简要的阐述与分析，比较了两种方法的异同。以希腊的里翁-安蒂里翁桥为例，详细分析了其设计中所采用的减、隔震措施。并提出了一种桥梁减、隔震的设计构想。
关键词： 延性；减、隔震；漂浮
1．桥梁的延性抗震设计方法
1．1延性抗震设计方法的概念及其发展
从本质上讲，延性反映了一种非弹性变形的能力，保证刚度和强度不会因为非弹性变形而急剧降低。对材料而言，延性材料是指在发生较大的非弹性变形时强度和刚度都没有明显下降的材料，与之对应的是脆性材料，则指一出现非弹性变形或在非弹性变形极小的情况下便发生破坏的材料；对结构和构件而言，如果结构或构件在发生较大的非弹性变形时，其强度和刚度仍没有明显的下降，则这类结构或结构构件称为延性结构或延性构件。延性结构具有的延性水平与结构中包含的延性构件具有的延性水平密切相关。但这并不意味着结构包含一些延性水平高的构件，其整体延性水平就一定高，实际上在某些情况下，即使个别构件的延性水平很高，但结构的整体延性水平却可能很低。
1．2 能力设计的方法
能力设计原则是Park等在20世纪70年代中期提出的一个重要原则，并最早在新西兰混凝土设计规范（NZS3101，1982）中得以应用，以后这个原则先后被美国、欧洲和日本等国家和地区的桥梁抗震规范所采用。能力设计方法的基本原理为：在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件，统称为能力保护构件）之间建立强度安全等级差异，以确保结构不会发生脆性的破坏模式。关键在于将控制概念引入结构抗震设计，有目的的引导结构破坏机制，避免不合理的破坏形态。具体到结构，就是设置塑性铰，使结构形成期望的耗能机构。塑性铰的位置必须满足结构的稳定要求且有尽量大的耗能变形能力，避免非设计的塑性变形模式的出现。
2．桥梁的减、隔震技术
相比于传统采取了抗震设计的桥梁，进行了减、隔震设计的桥梁具有以下优点：（1）能有效地减轻桥梁结构的地震反应，减小上部结构的反应加速度，从而可以有效保护桥梁结构在强震冲击下免遭破坏；（2）确保安全。可以通过有效的设计达到完全隔震，使重要的大型桥梁的上、下部结构在地面剧烈运动时，仍能处于止常的弹性工作状态，而对于一般的、中小桥梁，可以让下部结构具有有限的延性，不让上部结构落梁，从而保证人员的安全；（3）对于某些抗震控制设计的桥梁，采用减、隔震方法可以减少造价；（4）地震后，只要对减、隔震装置进行必要的检查或更换，而无需考虑桥梁结构本身的修复，震后可很快恢复正常生活或生产，这带来明显的社会和经济效益。
2．1 减、隔震设计的基本原理
与延性抗震采用结构自身的延性来降低地震影响不同，减、隔震技术就是将地震引起的结构反应能量尽量消耗于主体体系之外的特定构件或装置等耗能机制中和延长结构周期尽量避开能量集中的频率范围，从而降低结构的地震力。说得通俗一些，结构物就好比一个人，延性抗震就是相当于人修习了“太极”，有以柔克刚的功效；而减、隔震技术就相当给人穿了一身防护服，伤害大部分由外部的防护服承担，人受到较小的伤害。
2．2 减、隔震设计的发展
隔震的思想最早出现在建筑行业中要追溯到100多年前，1906年德国慕尼黑的Jacob Bechtold在美国申请了一个抗震建筑应用的专利，他设想隔震装置由钢板及钢板下的球体组成，钢板支承建筑重量，球体则保证钢板可以自由滑动。1909年一位英国医生利用滑石来隔离建筑与地震动的构思在美国申请了专利。1933年美国人首先提出了柔弱基础的隔震构想。最早将减隔震思想运用到桥梁的设计中的国家是新西兰。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1973年到1993年间，新西兰有48座公路桥和一座铁路桥采用了隔震技术，其中包括4座用隔震技术加固以提高抗震性能的桥梁。意大利也是世界上较早在桥梁中应用隔震技术的国家，至今，意大利已建成150多座隔震桥梁。目前美国己修建了近四十多座隔震桥，其中包括对既有桥的加固，儿乎全部隔震装置均为铅芯橡胶支承。我国的隔震研究始于20世纪50年代，1990年，范立础、袁万城开发了第一代橡胶抗震支座——弧形钢板橡胶支座，并在1993年，开发了第二代橡胶抗震支座，包括菱形橡胶-钢板支座、对齿形橡胶-钢板支座、齿形橡胶-钢板支座、高阻尼橡胶-钢板支座、八角对齿形橡胶-钢板支座，并已申请了专利。1995年，铁道部科学研究院铁道建筑研究所对铅芯橡胶支座的动力特性及其耗能进行了研究，研究表明这类支座具有良好的减震性能。减震目前主要采用各种阻尼器或是通过减震支座来减少传到结构物上的能量。
3．延性抗震与减、隔震设计的关系
减、隔震和延性设计在原理上有相似之处，在延性和减隔震设计中，都是通过专门设计的延性构件来承受屈服后的反复循环荷载的作用，构件屈服程度的选择原则上使传递到结构其它部分上的力局限于弹性和低塑性范围内，构件的屈服延长了结构的固有周期，使结构的振动周期避开了地震动的卓越周期。延性构件的滞回特性消耗大量的能量，从而抑制了结构的反应。然而，在延长结构的周期和提供滞回耗能机制的方法上，以及在如何抵制地震作用的原理上，减隔震设计和延性设计是不同的。
对桥梁结构而言，采用延性理论设计时，屈服作用发生在结构内部专门选定的塑性区，如对单柱或多柱式桥墩塑性铰区通常选定在桥墩的顶部和底部。但是对桥梁来说，其震害主要产生于下部结构，即使有上部结构破坏的情况，也往往是由于下部结构的破坏或过大的变位所引起的，对梁式桥来说更是如此。即使选择适当的塑性铰位置和细部构造，但结构构件的屈服是体系固有的破坏，过大的残余变形也会给震后的修复工作带来困难。此外，延性设计主要是通过使结构具有足够的强度、变形能力和耗能能力来抵御地震的作用，它允许很大的地震力和能量从地面传递给结构，通常结构的峰值加速度反应大于地面运动的峰值加速度。因此，延性设计要考虑的问题是如何为结构提供抵抗地震力的能力。
4．减、隔震桥梁实例分析
希腊的里翁-安蒂里翁桥的结构设计非常有特色。由于大桥建设处的环境集中了多项自然难题，因而使得工程相当复杂。海水深达65m，海床为非常厚的松软冲积层土层，并有大地震活动，包括潜在的地壳构造运动的可能性，这些均给桥梁结构工程师们提出了难以应对的挑战。地震的威胁来自史前引起伯罗奔尼撒半岛离开希腊本土的地壳漂移，现在半岛仍以每年几毫米的距离漂离希腊本土。其结果是，桥址地区存在几个活跃断层，可以产生大地震。在过去的35年里，科林斯湾曾经发生过3次大于里氏6.5级的地震。考虑到地震威胁，规定该桥应能抵抗2000年一遇的地震，这种地震的海床面反应谱应为0.48g的最大地面加速度及周期达1s时，1.2g的最大加速度。
5．一种新的桥梁减、隔震措施的构想
里翁-安蒂里翁桥采用了将基础与地基分离的方式来隔绝地震动能量传递到桥梁主体结构。但是，这种方式要求对地基有必较良好的处理，而对于很多的深水基础而言，这种地基处理方式的难度将是非常大。而且桥墩的体量比较大，为了保证桥墩与地基的良好接触，桥墩基础内部注满了混凝土，以加大体量，防止上浮力。这就使得材料的用量比较费。在生活中我们可以发现，对于浮在盆中的小木片，当盆左右剧烈摇晃时，小木片的绝对位置并不发生大的变化。即外部的能量传递到漂浮于水中的木片上的非常小。那么，我们可不可以将桥墩完全与地基隔离，使其浮于水中，这样，除了与岸相接的桥梁上部结构以及桥墩会传递地震能量外，位于水中的桥墩将完全隔离地震能量。
6．结语
桥梁的延性设计以及减隔震设计仍旧是桥梁抗震中历久弥新的话题，面对已经取得的成绩，我们仍要看出不足。每次地震，对于我们桥梁设计都是一次考验、一次教育，通过对于桥梁震害的研究，找出现行设计方法的不足，设计出抗震能力更强的结构型式或是可以有效减少地震灾害或是阻隔地震动能量的结构构件。
参考文献：
[1]范立础.桥梁抗震[M].同济大学出版社，1997：240-241.
论文作者:张学义
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/20
标签：延性论文; 结构论文; 桥梁论文; 构件论文; 支座论文; 橡胶论文; 桥墩论文; 《基层建设》2019年第8期论文;