减隔震技术在桥梁设计中的应用研究

减隔震技术在桥梁设计中的应用研究

卜浩然

天津市市政工程设计研究院天津300000

摘要：由于近年来地震越发频繁，抗震设计在结构设计中越发引起重视，桥梁是公路主要构造物，其结构稳定性直接关系国家经济命脉，本文通过阐述减隔震技术在桥梁设计中的应用，系统分析了当前桥梁设计中的抗震设计技术手段及措施，为桥梁抗震设计起到相关的借鉴和参考。

关键词：地震；抗震设计；减隔震技术；桥梁

1引言

近年来，随着地壳板块运动活跃的加剧，隔震、耗能减震技术逐步引起世界各国的重视并广泛应用于建筑结构和桥梁结构。隔震、减震技术是通过隔震、减震装置将结构最大限度的与地震时的地面运动或支座运动分隔开，从而大幅减少传递到上部结构的地震作用。大量理论研究和部分隔震工程震害经验表明，隔震与耗能减震技术是目前为止性能最为稳定且最有效的控制技术之一，已有部分采用了隔震及耗能减震技术的工程结构经受住了强烈地震的考验，证实了这种被动控制技术的有效性。

在我国，减隔震技术在桥梁上的应用还是很少的，但是在国外，减隔震技术在桥梁上的应用已经非常广泛，并且这类技术已经为桥梁抗震作出了突出的贡献"一些减隔震桥梁在地震中具有非常良好的抗震性能，保证了震后的正常使用"为了使桥梁减隔震技术早日广泛的应用于我国的桥梁建设之中，促进和提高我国的桥梁抗震技术，非常有必要对该类技术进行全面系统的研究，应及早结合我国的国情进行切实可行的研究，并使其真正付诸实施"。

2减隔震技术的使用条件

减隔震技术对桥梁抗震性能的提高作用是毋庸置疑的，它能够全面的降低地震荷载，减轻地震荷载对桥梁结构的危害，但并不是所有的桥梁都能使用减!隔震技术的"对于如下一些情况，不宜使用减隔震设计。

（1）基础周围的土层易于发生液化时；

（2）下部结构柔性大，桥梁结构本身的固有周期比较长；

（3）由于基础周围地基软弱，桥梁周期加长可能引起地基与桥梁共振；

（4）支座中出现负反力的情况"

3减隔震装置分析

现阶段世界范围内已经开发出了多种隔震装置，如叠层橡胶隔震支座（NaturalRubberBearing）、铅芯橡胶隔震支座（LeadRubberBearing）、高阻尼橡胶支座（HighDampingRubberBearing）和摩擦滑移支座（Sliding-FrictionBearing）等，这些隔震装置在过去的40多年中在许多工程中得到了实际应用并经历了地震的检验。隔震装置在桥梁结构中的设置主要以下两种方式，一是将隔震装置设置在下部结构和上部结构之间，二是将隔震装置设置于桥墩底部和承台之间。对于高墩桥梁，桥墩的抗震设计由其自身的振动特性控制，场地条件允许时宜采用桥墩底部隔震。但到目前为止国内外仅有少数几座桥梁采用了墩底隔震技术，大多仍将隔震支座设置于桥墩顶部与上部结构之间，其主要原因是桥墩支座可以直接代替普通支座，技术上较容易实现且经济可行。叠层橡胶隔震支座由薄钢板和橡胶交替叠合经过高温硫化粘结而成，橡胶一般采用天然橡胶或者氯丁胶，叠层橡胶隔震支座技术是在上世纪60年代由美国学者Kelly提出来的。叠层橡胶支座具有较大的竖向承载力和竖向刚度，且在水平方向具有良好的柔性，可以达到很大剪切变形而不至于失稳，并且能够保持较小水平刚度（仅为竖向刚度的1/500~1/1500）。由于薄层钢板和橡胶层为硫化粘结，叠层橡胶支座还具有一定的抗拉能力。叠层橡胶隔震支座水平剪切变形时能够提供的滞回阻尼很小，一般应与其他阻尼装置联合使用。目前对普通叠层橡胶隔震支座的研究主要包括滞回性能力学试验和抗拉性能、计算模型及其参数的确定等方面。

铅芯橡胶隔震支座是新西兰Robinson教授在1975年发明的，主要特征是在普通的叠层橡胶隔震支座中心插入一个或多个铅芯。制作铅芯橡胶隔震支座时，在分层钢板叠层橡胶支座加工后钻孔或者做成带孔的支座，然后直接浇铸铅芯，或者先加工成体积比开孔体积大约1%的铅棒，将铅棒直接压入孔内，这样在支座剪切变形时铅芯能够发生纯剪切变形。铅芯不仅能够为铅芯橡胶支座提供较大的初始刚度，而且能够提供良好的滞回耗能阻尼特性，减小隔震器的相对剪切变形，铅芯橡胶支座的等效阻尼比能够达到20%~30%左右。近年来国内外对铅芯橡胶隔震支座的研究主要包括支座非线性滞回力学性能试验研究和理论分析，非线性计算模型及其参数的确定方法等。多铅芯橡胶隔震支座是在圆形或方形橡胶隔震支座中插入多个铅芯来满足耗能需要，国内部分学者也对多铅芯橡胶隔震进行了非线性滞回性能试验研究和数值模拟分析。高阻尼橡胶隔震支座采用高阻尼橡胶材料，在天然橡胶中掺入石墨，通过控制石墨掺量的方式调节材料的阻尼特性，高阻尼橡胶也可由高分子合成材料制成。高阻尼橡胶隔震支座能够提供较好的水平剪切刚度和阻尼耗能特性，支座阻尼比可达到10%~15%左右。目前对高阻尼橡胶隔震支座的研究主要包括滞回力学性能试验，计算理论模型及其参数确定方法等。日本的Yama-age桥采用高阻尼橡胶隔震支座，10年后对采用新支座替换下的两个高阻尼隔震支座进行剪切和压力滞回性能测试，并与10年前相同支座进行对比，发现剪切刚度增加3%~4%，但等效阻尼比和竖向刚度没有明显变化，并且极限剪切性能仍能满足位移设计需求。滑动摩擦隔震体系也是一种有效的隔震装置，主要是通过滑动面之间的摩擦来耗散上部结构振动能量，同时一旦滑动摩擦隔震装置承受的剪力超过初始摩擦力，支座水平剪切刚度迅速下降，从而达到水平隔震目的。滑动摩擦隔震体系对输入地震激励频率不敏感，下部结构受到的最大水平剪力近似等于滑动摩擦力；但滑动摩擦隔震体系可能导致较大的水平剪切位移，如果滑动摩擦接触面为平面时，地震后没有弹性恢复力，滑动摩擦隔震支座不能回复到原来位置。对此，研究人员提出弹性滑动隔震支座、摩擦摆隔震系统等来弥补此缺陷。

4总结

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的分离开来"要达到这个目的，可通过延长结构的基本周期，避开地震能量比较集中的范围，从而降低结构的地震力，"但通过延长结构周期达到折减地震力，必然伴随着结构位移的增大，从而可能会造成设计上的困难"此外，由于结构较柔，在正常使用荷载作用下结构很可能发生有害振动"为了控制过大得变形.可通过在结构中引入阻尼装置，以增加结构的阻尼，从而减低结构的位移"此外，，增加结构的阻尼还可同时降低结构的动力加速度。同时结构的减隔震系统应该满足三个基本的功能：

（1）一定的柔度（柔性支承）：用来延长结构得周期，降低地震力；

（2）耗能能力（阻尼耗能装置）：降低支承面处的相对变形，以使得位移在设计允许的范围内；.

（3）一定的刚度屈服力：在正常使用荷载下（如风，制动力等）结构不发生屈服变形和有害振动。

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