我国桥梁隔震技术的应用

我国桥梁隔震技术的应用
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范立础　王志强
(同济大学土木工程学院　上海,200092)摘要　简要介绍国外桥梁隔震技术的发展,对比了我国桥梁隔振技术的研究与应用现状。

同传统的结构抗震设计相比,讨论了结构采用隔震技术的一些特点,对各国规范中的关于桥梁减隔震规定作了简介与比较。

最后,提出了促进我国桥梁隔震技术发展的意见。

关键词:抗震;隔振;桥梁;橡胶支座;结构抗震设计
中图分类号:U 442.55
近一个世纪以来,将建筑物与由强震产生地面运动的破坏作用分离开来的思想一直吸引着许多人。

为了达到这个目的,建议了许多有创造性的隔振装置。

如1906年,一个德国人申请了美国专利,他的发明就是在建筑基底放一刚性底板,并用硬材料制成的球体支承着,这样就可达到隔震的目的。

1909年,一名英格兰医生申请了英国专利,建议在建筑的底部用一层沙或滑石将建筑与基础隔离开来。

1929年,新西兰人申请了发明专利,建议的方法是在建筑的底部和基础之间放一个“bed ”,这个“bed ”由可以耗能或减少冲击的材料组成。

这样类似的发明在过去60年代以前有很多,但很少有用于实践的。

其间,一个值得注意的事例是日本东京的“帝国饭店”,该结构完成于1921年,建筑支承在浅层的硬土层上,其下部是软泥层。

在关东大地震中,这个结构的抗震性能很好。

这个结构是一个很好的基底隔震实例,也表明地震保护可通过一种相对简单的方式来达到。

此外,在1976年的唐山大地震中,一些砖结构房屋由于在基础附近发生了滑动,从而使结构幸存下来。

这也为隔震应用提供了一个间接的证明。

可见,隔震技术的研究与应用乃始于建筑结构,随后才移用于桥梁结构。

1　各国桥梁隔震技术的发展简况
在世界范围内,至少已有17个国家已建成隔震结构。

在1996年以前,至少有125座建筑采用了隔震技术,在几个国家的许多桥梁中早已采用了部分隔震结构形式(如仅在一个方向隔震,大概已有200多座桥)。

新西兰自1973年以来,到1993年为止,有48座公路桥和一座铁路桥采用了隔震技术,其中包括4座用隔震系统加固来提高抗震性能的桥梁。

(到目前为止,桥梁隔震系统最常见的是铅芯橡胶支座,通常安装在桥梁上部结构与桥墩和桥台之间。

每个铅芯橡胶支座兼有隔
第12卷第2期1999年6月 Jou rnal of V ib rati on Engineering
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震和耗能的功能,同时它们还支承着上部主体结构的重量,并提供弹性恢复力。

对隔震桥梁来说,铅芯橡胶支座是一种非常经济的隔震装置。

新西兰未隔震的桥梁是在上部结构与支座间采用弹性支承来适应热膨胀变形的。

对这些标准的桥梁结构,只要加进铅芯即形成隔震支承。

除了放松某些约束,提供抗震缝以适应地震荷载作用下可能增大的上部结构位移外,只要做简单的改动就可以了。

铅芯不仅在大位移运动中耗散了能量,而且在缓慢横向力作用下
还能增大支座的抗力,直至达到屈服点为止,以此来降低风荷载和交通荷载产生的位移。

)・新西兰第一座隔震桥是M o tu B ridge ,建于1973年,170m 长的钢桁架轻型桥面,由钢筋混凝土薄腹桥墩支承。

上部结构采用滑动支承隔震,隔震系统的阻尼由U 型钢弯曲梁提供。

Sou th R angitikei R ail B ridge ,始建于1974年,建成于1981年,该桥是通过控制横向摆动下的基地提离来实现隔震的一个例子。

桥高70m ,由六跨预应力混凝土箱型空心支架梁组成,总长315m 。

地震荷载作用下传递到细长钢筋混凝土H 型桥墩上的应力,是通过桥墩两个柱底的交替升降,使桥墩可以作横向摆动进行控制的。

墩柱摇摆提升及相应桥台面横向位移的范围用扭转钢梁阻尼器的滞变能量耗散加以限制。

该阻尼器连接在摇摆提升式墩柱的底部与大刚度支承桩的顶部之间。

摇摆提升作用对这座桥减轻地震荷载是非常有效的,因为这座桥的重心很高,所以非隔震设计主要为墩脚处的倾覆力矩所控制。

因桩帽刚度相对较大,估计摇摆提升机构自身的阻尼很低,所以摇摆提升过程中的滞变阻尼效果相当明显。

在桥梁减隔震设计使用最广的隔震装置是铅芯橡胶支座,这是由该装置自身的优点所决定的。

此外,其它一些用于桥梁的隔震装置有:U 型钢弯曲梁、钢扭梁、铅挤压阻尼器等。

・意大利也是较早地在桥梁中应用隔震技术的国家,但在建筑结构隔震方面很少见。

从1974年以来,意大利用现代隔震技术建造了150多座隔震桥梁。

尽管早期应用的设计中没有现代隔震规范和官方的指南可循,但已经采用了多种形式的隔震系统。

・美国第一次采用隔震系统是在1979年,将一些电路断路器装备了阻尼为7%的弹性支承。

从那时起,许多新建和改建的建筑和桥梁都使用了隔震系统。

美国第一次将隔震技术用于桥梁是在1984年,用于对Sierra Po in t B ridge 进行抗震加固。

该桥原建于1956年,长200m ,宽40m ,水平方向略有弯曲,动力分析表明,在0.6g 水平加速度的强震作用下,该桥将会遭到破坏。

解决办法是用铅芯橡胶支座代替刚性球铰支座进行隔震。

所有工程都是在不中断桥上桥下交通的情况下进行的。

估计这座大桥在设计地震动大小的地震发生时和刚发生后都能继续使用。

美国第一座新建的隔震桥Sex ton (1990)桥,在伊利诺斯3号公路上,该桥主体结构为3跨连续组合钢板梁,稍带弯曲,支承在墙墩和座型桥台上。

桥墩和桥台均有桩基,在选择方案之前做了可行性研究。

最终选用的方案是以达到尽量减轻作用在桥墩上的地震荷载和非地震荷载的为目的的。

因为这里地基条件较差,根据AA SH TO 设计规范规定,该桥设计地震加速度峰值为0.2g ,三类场地土。

最终选择方案是采用20个铅芯橡胶支座将地震荷载分配到桥台上,并在桥墩上放了20个合成橡胶支座(控制地震力分配的支座)。

通过调整桥墩和桥台上支座的刚度,使作用在桥墩上的地震荷载和风荷载最小。

目前美国已修建了20多座隔震桥(包括用于既有桥的加固),几乎全部隔震系统均为铅芯橡胶支座。

由此可见铅芯橡胶支座在用于桥梁隔震中是有其自身的优点的。

・日本桥梁中,除一座桥采用了高阻尼橡胶支座外,其它所有隔震桥梁都采用铅芯橡胶4
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支座。

日本第一座隔震桥梁完成于1990年,为静岗县横跨Keta 河的宫川大桥,桥体是3跨连续梁桥,110m 长钢板型主梁结构,坐落在坚硬场地土上,装有铅芯橡胶支座。

桥的主体结构横向是受到约束的,沿纵向有±150mm 的间隙可供移动,超过这一范围桥台将限制其进一步移动。

适当选择和布置铅芯橡胶支座,使其将总惯性力合理分配到各个桥墩和桥台上。

国外隔震技术研究与发展的还有FPS 隔震器,混合基础隔震系统等等,可见文献[1]。

2　我国桥梁隔震技术的发展
桥梁橡胶支座的出现为减隔震技术应用提供了一种极其理想的减隔震装置,它是许多减隔震装置中的主要柔性部件。

桥梁橡胶支座在我国是从1965年开始研究并投入应用的,许多年来一直深受全国桥梁工程技术人员的欢迎。

目前我国桥梁广泛采用的橡胶支座有三种,板式橡胶支座,盆式橡胶支座,以及聚四氟乙烯滑板组合支座。

在桥梁橡胶支座的早期实验研究中,对其静力性能、
耐久性等方面的特性进行了大量的研究。

为橡胶支座在正常使用荷载下的应用提供了依据。

对于橡胶支座在地震荷载下的动力特性的研究,国内相对做得少一些。

尤其是把橡胶支座作为减隔震装置的部件进行研究的就更少。

主要的研究有:徐凤云(1986)“公路桥梁减震支座”,范立础、袁万城“桥梁板式、聚四
氟乙烯滑板式橡胶支座的静动力试验研究”(1987),袁万城、范立础(1991)“桥梁橡胶支座动
力性能试验研究”等,这些研究为桥梁橡胶支座抗震设计应用提供了依据。

期间,范立础、袁万城开发了第一代橡胶抗震支座2弧形钢板橡胶支座(图1a )。

在1993～1996年,开发了第二代橡胶抗震支座(图1b ),有菱形橡胶2钢板支座、对齿形橡胶2钢板支座、齿形橡胶2钢板支座、高阻尼橡胶2钢板支座、八角对齿形橡胶2钢板支座等,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。

1998年铁道部第一勘测设计院廖蜀樵、华南建设学院(西院)周福霖和汕头和泰隔震器材公司合作对一座隔震(铅芯橡胶支座)铁路桥梁在地震模拟振动台上进行了试验研究。

(a ) (b )
图1　新型橡胶抗震支座
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对于桥梁减隔震理论的研究,就作者收集的资料来看,国内研究并不太多,大都集中于同济大学土木工程防灾国家重点实验室范立础学科组。

李建中(1996)对减隔震的优化设计理论进行了详细的研究;王淑波(1997)对减隔震的等效线性化进行了详细的分析,并提出了一种改进方法;杨新宝(1997)对减隔震技术应用于桥梁的抗震加固作了研究。

目前我国还没有一座桥进行过专门的减隔震设计,但国内设计的减隔震支座(图1)已在几座桥上使用了。

如宕石大桥,南京跨线桥等。

此外值得一提的是,我国在建筑物方面的减隔震技术发展是走在桥梁的前面的,国内已有一些建筑采用了减隔震技术。

周福霖及汕头和泰公司对橡胶支座减隔震性能在建筑物中的应用做了大量研究。

并已开发出一系列可用于减隔震设计的橡胶减隔震支座。

并且正在制定“夹层橡胶隔震技术规程”。

综上所述,我国减隔震技术在桥梁上的应用还几乎是一片空白,但在国外,减隔震技术在桥梁上的应用已比较广泛,并且该技术已为桥梁抗震作出了贡献。

一些减隔震桥梁在地震中具有良好的抗震性能,保证了震后的正常使用。

为了使桥梁减隔震技术早日广泛应用于我国,促进和提高我国的桥梁抗震技术,很有必要对该技术进行全面的研究。

应及早结合我国国情进行切实可行的研究,并使其真正付诸实施。

3　同传统抗震设计相比采用隔震技术的一些特点
・通过设计隔震系统,全面降低地震荷载,并改善降低后的地震荷载在上部结构各支座间的分布,以保护桥墩、桥台,必要时还保护上部结构。

由于增大了上部结构各支座的总柔度和阻尼,使地震荷载减小,又由于使支座刚度与下部结构强度相关,荷载分布也得以改善。

・由于对横向地震反应隔震,调节了横向刚度,因而改善了扭转平衡,还可全面降低地震荷载;横向阻尼的增大,可以遏制扭转失衡的放大。

当上部结构隔震段在平面图上又细又长时,有时可以通过将各支座的横向刚度调节到近似相等来减小地震荷载。

・可以通过设计纵向隔震系统限制上部结构位移来减小抗震缝的长度。

・上部结构隔震可用来减小或消除在设计水准地震下下部结构超出弹性范围的现象。

在难以检查或修复的地方,如部分埋置的桥墩和它们的基础,要避免发生严重的非弹性变形。

・采用隔震系统后,在同等造价情况下可达到比传统抗震设计高的抗震性能,如保护墩柱,降低其延性需求等。

・传统抗震设计的非弹性响应分析还存在许多不确定性,这是因为恰当模拟构件的非线性及构件屈服后的弱化行为通常较困难。

但对于隔震结构,若采用全保护隔震设计,非线性仅局限于隔震装置,因隔震装置的力学特性相对于构件的力学性能要清楚得多,从而易于得到较可靠的分析结果。

但对于如下一些情况,不宜使用减隔震设计:
・基础周围的土层易于发生液化时;
・下部结构柔性大,桥梁结构本身的固有周期比较长;
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・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;
・支座中出现负反力的情况。

4　隔震结构震害中的经验教训人们所关心是隔震结构在强烈地震作用下的性能如何,遗憾的是许多隔震结构还没有经历过这种检验。

在新西兰,所有隔震建筑物和桥梁中只有R angtike 河上的T e T eko 桥经受过一次大的地震,这就是1987年3月发生的里氏6.37级,烈度9度,震中在大桥以北9km 处的Edgecum be 地震。

T e T eko 桥全长105m ,宽11.4m ,共5跨,全部上部结构支承在20个直径508mm ,高179mm 的橡胶支座上,其中只有桥墩处的16个橡胶支座中加了铅芯,每个支座承受的竖向荷载约为150t 。

大桥南面11km 处的强震加速度仪所测得的地面水平加速度峰值为0.33g 。

竖向加速度为0.23g 。

据推测,地震时T e T eko 桥场地地震加速度在水平方向上有可能超过0.4g 。

如此强烈的地面运动使距大桥仅几十米的一个学校和一个旅馆的房屋结构遭到严重破坏,然而该桥采用隔震技术,大大降低上部结构的地震力,减轻了震害。

桥台的挡块像预期的那样被推开。

两岸第一跨桥墩柱处出现局部混凝土破坏,左岸台处的一个橡胶垫块滑离原位,累计位移超过600mm ,另一个橡胶支座一边也紧贴外限位圈,有局部轻微挤压破坏。

地震后主要修复工作是滑移橡胶支座的回位和桥台挡块处路面的修复工作。

这座大桥是现代抗震技术产生良好抗震性能的一个例证,其基底隔震采用的是铅芯橡胶支座,然而该桥另一处的一个标准弹性橡胶支座没有能有效地制止滑动,从而脱离了原来的位置,无法支承桥面,因此桥的减震效果并不理想。

T e T eko 桥在地震中的表现,使人们对工程结构隔震更有了信心,同时也获得有益的教训和经验。

从这次震害中获知,为了使隔震方法确实有效,必须使各个环节,如设计、制造和使用隔震结构的人真正负起责任,以保证良好运行,尤其是要保护好抗震缝。

在美国,1994年1月洛杉矶地震中,有10所医院受到影响,只有采用了铅芯橡胶支座系统隔震的一所医院能继续工作,这一事实为采用隔震技术提供了强有力的支持。

这所采用了隔震系统的南加州大学医院,地震时该建筑场地地面加速度为0.49g ,而屋顶的加速度为0.27g ,即衰减系数为1.8,与此对照,没有采用隔震但按高标准设计的O live V iew 医院,其地面加速度为0.82g ,而顶层加速度为2.31g ,放大倍数为2.8。

该医院虽没有遭受结构破坏,但因大的加速度引起顶层水管破裂而不得不临时关闭。

旧的洛杉矶医院只比南加州大学医院距离震中近1km ,却遭受严重破坏,使若干侧厅停业。

据统计所需修理费达4亿美元。

在日本,1995年1月阪神地震中,震区内有两座隔震建筑均未遭受破坏。

其中一座建筑物是邮政省计算中心,主要采用铅芯橡胶支座系统隔震,而由钢阻尼器提供附加阻尼。

初步调查结果表明最大地面加速度为0.4g ,而第六层的最大加速度为0.13g ,其衰减系数为3.1。

该计算中心离断层16km ,建筑面积4万平方米。

这次地震中,采用铅芯橡胶支座隔震的6座桥梁也表现极佳,进一步证明了隔震技术的优越性。

7
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5　各国规范关于桥梁减隔震的规定
5.1　欧洲规范
5.1.1　设计地震设计响应谱:对于C 类场地土,距断层15km 以内,隔震结构周期大于
3s 时,应使用特定场地的反应谱。

这样的反应谱应不少于规范Part 1.1规定的标准场地弹性响应谱。

地面运动时程:至少选三组记录,在隔震周期正负10%以内,其反应谱值平方和开方不低于标准反应谱值的1.3倍。

时程的持时应与震级和设计地震震源特性相一致。

场地距断层15km 以内的地震时程应包含近源地震的特性。

5.1.2　设计原理
欧洲规范的桥梁隔震设计分为两种类型:一种是全隔震(Fu ll Iso lati on of a B ridge ),即在设计地震作用下,桥梁结构除隔震系统自身发生非弹性变形外,其余构件均在弹性范围内。

另一种是部分隔震系统(Partial Iso lati on of a B ridge ),即在这种情况下
,桥面板仍在弹性范围内,但允许墩发生非弹性变形。

对于全隔震系统,可以使用等效线性响应谱分析,使用在设计位移下的割线刚度作为线性系统的等效刚度,对于部分隔震的系统,规范规定应采用非线性时程分析方法。

5.1.3　分析方法
分析方法有单自由度响应谱分析、多自由度响应谱分析(适用于全隔震系统),响应谱分析方法是采用的组合谱法,周期T >0.8T i 时,采用隔震装置的阻尼;T <0.8T i 时,采用阻尼比为5%。

响应谱的阻尼校正采用如下公式
Γi =7.0
(2+Νi )0.35
对于其它情况,如隔震装置阻尼比大于10%,场地距断层在15km 以内,位于C 类场地,隔震周期大于3s ,及部分隔震系统应采用时程分析法。

5.1.4　分析模型
对于单自由度响应谱分析,隔震系统应采用对应最大设计位移时的最小割线刚度作为等效刚度。

对于多自由度响应谱分析、时程分析,隔震系统所采用的模型应能满足如下要求:隔震装置的空间分布特性,水平方向地震动和转动地震动,考虑单个隔震装置的倾覆力,考虑竖向荷载影响,双向侧向荷载,加载率等特性。

对于隔震结构进行响应谱分析时,所有结构构件应采用线性刚度模型。

并能反应其实际刚度。

钢筋混凝土桥墩,桥台刚度应采用未开裂截面时的刚度。

对于非线性时程分析,应能较好地反应构件的非线性特性,尤其是屈服后的特性。

5.1.5　校核
设计构件时,对于全隔震系统,根据能力设计原则,构件的设计强度应高于隔震装置的强度。

部分隔震系统,对于预先确定发生塑性铰的构件,其弯曲强度应根据分析所得结构设8
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计。

对于其它构件的设计应考虑预期塑性铰构件的超强来进行设计。

对于预期形成塑性铰区的构件应给予充分的设计,保证其具有足够的延性。

对于隔震系统应根据具体隔震性能要求进行设计。

5.2　美国AA SH TO 隔震规范规定
5.
2.1　设计原则在隔震规定中包括了两类可能的设计原则(1991),第一类型就是利用折减力得到比传统设计更经济的设计。

这个原则使用与当前规范传统抗震设计中相同的响应校正系数R 值,因而得到与传统抗震设计相同的安全水准(这个设计方法的优点就是当桥梁设计是地震力控制时,造价可节约大约为全桥造价的10%)。

第二类型就是减隔震桥的抗震性能比AA SH TO 规范关于传统抗震设计更高的抗震性能水准,该方法实质就是排除或显著降低下部结构和桥台的延性需求。

这种情况下R 值为1.5,将确保结构在设计地震下结构的性能基本为弹性。

对于桥梁抗震设计的这两个原则,通常所需造价低于或等同于传统抗震设计的造价。

此外对于超过重现期的罕遇地震也提供保护能力。

5.2.2　分析方法
桥梁隔震规范的基本前提有两方面,一是隔震装置的耗能可由等效粘滞阻尼表示;二是隔震装置的刚度可用等效线性刚度来表示。

这两个基本假设下允许隔震设计分析方法采用单自由度、多自由度响应谱分析法。

反应谱分析采用组合谱法。

对于没有自复位机制的滑动系统和单纯弹塑性隔震体系,等效粘滞阻尼概念不再有效。

等效粘滞阻尼公式得到的是与滑动系统的摩擦系数无关,或与弹塑性的屈服强度无关。

此外,由于这些系统没有恢复力特性,会导致低估设计位移。

因此,不具备自恢复机制的隔震体系必须进行非线性时程分析。

5.2.3　隔震系统检测的规定
对隔震系统检测的要求包括需要的隔震周期、基底剪力、系统阻尼、系统的安全冗余等方面。

5.3　日本隔震规范规定
日本隔震规范对隔震设计的预期性能水准与传统桥梁抗震设计的要求相同,采用两水准设计,第一水准是基本为弹性,第二水准时允许结构构件发生屈服。

分析方法对于第一水准为地震系数法,第二水准为极限承载力法。

对于复杂结构建议采用响应谱分析法或时程分析法。

其中在结构模型中也采用等效线性化法,并对等效刚度等效阻尼的取值及其对响应谱的校正作了具体规定。

在分析方法的具体执行中同和其它规范相比有许多不同的地方。

在隔震装置的设计、检测和构造措施上也给予了详细规定。

6　各国规范的比较
・从使用减隔震的目的来看:欧洲规范,AA SH TO 规范强调利用周期的延长来降低地971第2期 范立础等:我国桥梁隔震技术的应用
震力,使用阻尼装置来控制结构发生的位移。

日本规范根据其本国实际条件,对减隔震的应用更强调增大阻尼以提高吸收能量的能力和将地震力尽可能合理地分配到下部结构中,而不过分追求加长周期来降低地震力(形成这种差异的主要原因是,日本规范中其反应谱下降段的开始周期值对应于三类场地土都比较长,分别是1.1s 、1.3s 和1.5s ,由此可见通过延长周期来实现降低地震力很困难,要想达到好的效果,隔震桥梁的周期必须很大,而这容易影响桥梁的使用功能。

因而减隔震设计的重点放在增加桥梁结构耗能能力方面)。

・从隔震设计的原则来看:美国规范有两类设计原则,第一类是应用减隔震设计达到和传统抗震设计相同的性能准则,即在设计中使用相同的响应校正系数R 值。

第二类是按减隔震设计的桥梁比按传统抗震设计法设计的具有更高的抗震性能水准。

在这种情况下响应校正系数R 值为1.5。

从而确保结构在设计地震力下结构性能基本为弹性。

欧洲规范的桥梁隔震设计原则也分为两种类型,一种是全隔震设计,即在设计地震作用下桥梁结构除隔震系统发生非弹性变形外,其余构件均在弹性范围内;第二种是部分隔震设计,即在这种情况下,允许墩发生有限非弹性变形。

由此可见,欧洲规范、AA SH TO 规范在减隔震方面设计原则比较类似,但并不完全相同。

日本规范的减震隔设计为双水准设计原则,同传统抗震设计相比,两者在设计地震力下的抗震性能是相同的。

・从分析方法、设计方法看:对于规则结构,三个规范都是基于等效线性化法原理,采用响应谱法进行分析和设计的。

对于不规范结构和其它特殊情况,都建议使用非线性时程分析法。

但在分析方法的具体执行和条件规定上都存在差异。

・从减隔震装置的要求上看,三个规范都对分层橡胶支座的使用标准作了明确规定,此外日本规范还对其它类型的隔震装置作了详细的规定。

欧洲规范对于其它类型隔震装置的规定只是从隔震性能要求上作了总体规定,对具体隔震装置类型则没有明确的规定。

规定原则是不限制使用新型减隔震装置,但要求经过严格的实验检测,合格后方可使用。

7　结语
结构减隔震研究与应用已有三四十年历史了,而且进而扩展并形成结构控制研究领域。

国际上已成立了国际结构控制学会。

在我国,中国建筑学会抗震防灾研究分会已成立了结构减震控制专业委员会。

中国振动工程学会已成立了结构抗振控制专业委员会(筹)。

鉴于结构采用减隔震设计的优点已经在最近几次大地震中明显表现了出来,日本、欧洲、新西兰等国已经将此纳入抗震规范,美国也将于2000年规范中明确采用减隔震设计方法。

我国桥梁设计很早采用了橡胶支座,并没有在规范中得到重视。

国内对减隔震及装置的研究已有不少成果,可以参照国外研究成果、震害经验和规范条文,及时增编我国桥梁规范中的桥梁减隔震设计内容是刻不容缓的事。

参　考　文　献
1　范立础编著.桥梁抗震.上海:同济大学出版社,1997
2　Fan L ichu .Seis m ic design of h ighw ay bridge .Hong Kong :H uajie Internati onal Publish ing Co .,L i m it 2
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