叠层橡胶支座在桥梁结构中的应用

收稿日期:2002 04 21

作者简介:崔俊(1967 ),男,河南杞县人,郑州大学综合设计研究院工程师。

文章编号:1004 3918(2002)05 0591 03叠层橡胶支座在桥梁结构中的应用

崔 俊1, 王 凯2, 武建军3

(1.郑州大学,河南郑州 450002; 2.郑州市工程质量监督站,河南郑州 450052;

3.河南建达工程建设监理公司,河南郑州 450002)

摘 要:本文介绍了桥梁工程中常用的一类隔震装置 叠层橡胶支座的构造、减震原理及叠层橡胶支座隔震桥

梁的设计方法,总结了叠层橡胶支座在桥梁工程中的实际应用情况和特点,并对其在我国桥梁工程的应用

前景进行了展望。

关键词:叠层橡胶支座;隔震;桥梁结构

中图分类号:P315 文献标识码:A

最近以来,工程结构防护的另一种选择登上舞台,吸引了世界许多国家的关注、研究和应用,这就是 工程结构的减隔震技术 。 工程结构的减隔震技术 是指通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来,大大减少传递到上部结构的地震力和能量。在满足正常使用要求的情况下,这种分离式解耦是通过增加系统的柔性和提供适当的阻尼来实现的。

随着结构减隔震技术在工程实例中的应用,由于采用了新技术,一方面提高了结构的抗震性能,另一方面也降低了造价。甚至在有些情况下,采用这些抗震技术是解决实际结构抗震问题的唯一有效途径。此外,随着新规范的应用,对桥梁结构的抗震性能要求越来越明确,由于这些技术的特点和优势,这些抗震技术作为传统桥梁抗震设计之外的一种可供选择的方案,将逐渐为工程设计人员所采用。

1 橡胶支座的构造及减震原理

常用的桥梁隔震装置有柔性支承装置和阻尼装置两种类型,其中橡胶支座是世界上应用最广、实用性最好的一种柔性支承装置。橡胶支座由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经高温硫化粘结而成,所采用的橡胶一般有天然橡胶和氯丁胶。氯丁胶除抗冻和弹性外,其他性能(耐油、耐腐蚀、抗老化和阻尼等)均优于天然橡胶。

由于在橡胶层中加设夹层薄钢板,而且橡胶层与夹层钢板紧密粘结,当橡胶支座承受垂直荷载时,橡胶板的横向变形受到约束,使橡胶支座具有很大的竖向承载力和竖向刚度。因薄钢板不影响橡胶板的剪切变形,使橡胶板对任何水平方向的运动均呈柔性约束。当橡胶支座承载水平荷载时,其橡胶层的相对侧移大大减少,使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳,而且保持较小的水平刚度(仅为竖向刚度的1/500-1/1500)。并且,由于夹层钢板与橡胶层紧密粘结,橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定的拉力,使该种支座成为一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想的隔震装置。

减震阻尼钢板橡胶支座的竖向承载力可达50-200t,竖向压缩刚度可达200-3000t/cm,它们的水平刚度较小,约为0.25-1.8t/cm,水平极限位移约为25-50cm 。它们的剪切刚度是变化的,变形较小时刚度较大,中等变形时刚度最小,然后随变形的增大刚度又回升。变形过大时刚度回升,起到保护和限制侧向位移的作用。这种支座对于小震来说,结构就如同连在刚性基础上;对于强震来说,基底隔震系统一方面提供柔性滑动,另一方面可吸收大量能量,它由于局限所吸收的能量相当于临界粘滞阻尼吸收能量的35%。

根据对减震阻尼橡胶支座的不同阻尼比的要求,目前国内外主要采用下述几种不同材料制成的减震阻尼橡胶支座:

1.1 天然分层橡胶支座(MRB)

普通减震阻尼橡胶支座一般采用天然橡胶或氯丁二氯橡胶制造。这种支座只具有弹性性质,本身并无第20卷 第5期2002年10月

河 南 科 学HENAN SCIENCE

Vol 20 N o.5Oct.2002

显著的阻尼性能,因此,通常需要和阻尼器一起并行使用。

1.2 铅芯橡胶支座(LRB)

在普通减震阻尼橡胶支座中部竖直地灌入铅棒就成为铅芯减震阻尼橡胶支座。灌入铅棒的目的:一是提高支座的吸能效果,确保支座有适度的阻尼;二是增加支座的早期刚度,对控制风反应和抵抗地基的微震动有利。铅芯减震阻尼橡胶支座既有隔震作用又有阻尼作用,因此,它可以单独地在隔震系统中使用,而无须另设阻尼器,使隔震系统的组成变得比较简单。由于纯铅材料具有较低的屈服点出和较高的塑变耗能能力,使铅芯减震阻尼橡胶支座的阻尼比可达20%-30%。由这种橡胶支座组成的隔震系统作为主导产品,已广泛应用于国外的大中型桥梁,并取得了良好的效果。

1.3 高阻尼橡胶支座(HD -MRB)

这种支座采用高阻尼橡胶材料制造。高阻尼橡胶可以通过在天然橡胶中掺入石墨得到,根据石墨的掺入量可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,这种人工合成橡胶不仅阻尼性能好,而且抗劣化性能也极佳,阻尼比可达到10%-15%。和铅芯减震阻尼橡胶支座一样,高阻尼减震橡胶支座同时具备隔震器和阻尼器两方面的功能,可在隔震系统中独立使用。

2 橡胶隔震支座在桥梁中的布置方式

目前,桥梁隔震装置的布置位置有两种情况,其一,布置在桥墩顶部,起降低上部结构惯性力的作用;其二,设置在桥墩底部,这类似于建筑结构隔震,较大幅度的减低整个结构的动力响应。通常,在地震作用下,桥梁结构的惯性力主要集中在上部结构,桥梁构型类似于一个倒摆结构,这时通过在上部、下部结构间引入隔震装置,可以有效的降低上部结构的惯性力,达到保护桥墩、基础等下部结构的目的。采用墩顶隔震并没有隔绝地面运动,这时的桥墩就象一个顶部受到某种约束的独立结构振动一样对地震产生响应。因此,有时计算桥墩地震力时,须考虑墩的质量和她自身的振动模态。对于桥墩较高且质量比较大,自身振动特性控制其设计的情况,当场地条件等允许时,宜考虑在桥墩底部引入隔震装置。从目前已建成的隔震桥梁来看,隔震装置大多数设置在桥墩顶部,这主要是由于普通桥梁也使用支座,采用桥墩顶部隔震,只需用隔震支座代替普通支座即可,因而比较经济可行。在墩底进行隔震的方式,通常较少采用,目前,国际上也只有几座桥采用了墩底隔震技术。

从目前国内外采用隔震技术的情况看,大部分是采用橡胶隔震支座,如铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座或橡胶支座与其它阻尼装置共同使用来达到降低桥梁结构动力响应的目的。当采用橡胶隔震支座进行隔震设计时,在降低地震力的同时,使用橡胶支座也给设计人员在如何分配水平地震力方面提供了更大的选择余地。通过在刚度较大的桥墩上放置刚度较低的橡胶支座,可降低该桥墩分担的地震力,进而降低对该墩的延性需求。因此可通过调整不同桥墩处隔震装置的水平刚度来达到合理调节下部结构间的地震力分配,避开基础条件差的桥墩或能力较弱的桥墩,使整个体系的受力更趋合理。对于横桥向隔震,尽可能通过引入隔震装置协调下部结构间的横向刚度,从而改善扭转平衡,降低结构的横向响应。

从以上论述可知,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。因此,需要设计人员在该阶段作出初步的规划,但这需要在初步设计阶段对不同的隔震装置布置方案进行初步分析比较后方可确定。

3 减震阻尼橡胶支座在桥梁工程中的应用及其特点

我国对基础隔震的研究始于20世纪60年代,时至今日,减震阻尼橡胶支座隔震技术,在中国已被认为是成熟的技术,主要体现在下述几个方面:

1、竖向承载能力大,作为结构物的支座,安全度高;

2、有足够柔的水平刚度,延长结构振动周期;

3、具有稳定的弹性复位功能,能在多次地震中自动瞬时复位;

4、具有相当大的变形能力,强震作用下不出现失稳现象;

5、耐久性较好;

6、可满足结构物的不同标高要求,且受地基不均匀沉降的影响不十分明显。

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