浅谈桥梁减隔震及其适用范围

浅谈桥梁减隔震及其适用范围

【摘要】:从减震、隔震技术的原理入手,并对几种常用的隔减震的使用范围进行说明,通过选择适当的减震隔震装置与设置位置,以达到控制结构内力分布与大小的目的。

【关键字】:减震、隔震、桥梁支座的类型

一、引言

通常所说的减隔震包括减震和隔振。减震，是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震的方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。隔振，是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减少结构震动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型桥梁使用的减隔震主要是隔震系统。隔震技术在国外的桥梁工程中得到广泛应用,早在20世纪70年代,新西兰、意大利、美国、日本等国家就开始将减隔震技术用于桥梁中。减隔震技术在我国的应用还不是,如汕头海湾二桥、夏漳跨海大桥、南京跨线桥等。

二、减震主要有耗能减震与吸震减震。

1、耗能减震是利用耗能构件消耗地震传递给结构的能量的减震手段。地震时，结构在任意时刻能量方程为

公式中为地震工程中输入给结构的能量。为结构主体自身的耗能。

为附加耗能构件的耗能。

从耗能的观点来看，是一定的，所以耗能装置耗散的能量越多，则结构本身需要耗散的能量就越小，这就意味着结构地震反应的降低。另一方面，从动力学观点看，耗能装置的作用，相当于增大了结构的阻尼，而结构阻尼增大，必将使结构地震反应减小。在小震和风作用下耗能装置应该具有较大的刚度来保证结构的使用性能。而在强烈地震作用时耗能装置应率先进入非弹性状态，且可以大量消耗地震能。有关使用表明，耗能装置可以消耗地震输入能的90%以上。

一般耗能原件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算)

为耗能减震结构对的附加有效阻尼比;

为所有耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量：

为设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。耗能减震装置主要有a、阻尼器，其通常安装在支撑处、框架和剪力墙的连接处、梁柱连接处，以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相对位移的地方。b、耗能支撑，其实质上是

将各式阻尼器用在支撑系统上的耗能构件。c、耗能墙，其又可分为周边能耗墙和摩擦耗能墙。

2、吸震减震是通过附加子结构使主体结构的能量子结构转移的减震方式。

主体结构质量为，阻尼系数为，刚度为你，附加子结构质量、阻尼系数、刚度分布为、、则列出的运动就平衡方程为

式中

三、桥梁隔震主要是基地隔震。

基底隔震技术原理可

以用图1和图2阐明。图中所示为一般的地震反应谱。首先，隔震层具有较大的阻尼，从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。其次，减隔震具有很小的侧向刚度，从而大大延长了结构物的周期，因而，结构加速度反应得到进一步降低（图1）与此同时，结构位移反应在一定程度上有所增加（图2）

隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型甚至空间分析模型。当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是一个刚体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析，其动力平衡方程式为

m为结构总质量；

c，k为隔震层的阻尼系数和水平刚度；

、、x分别为上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移；

为地面加速度过程。

当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多质点模型或空间分析模型。这些模型可视为在常规结构模型底部加入隔震层简化模型的结果。

桥梁结构减隔震与建筑结构隔震、消能减震的原理相似：其隔震原理也是利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构；桥梁减震的原理是利用特制减震构件或装置，使之在强震时率先进入塑性区，产生大阻尼，大量消耗进入桥梁结

构体系的能量。但对桥梁结构而言，实践中并未严格区分桥梁隔震与减震技术，而通常把这两种情况合二为一，统称桥梁结构减隔震设计。但桥梁减隔震设计中所采用减隔震装置以及布置的位置与建筑结构有较大的不同。

1常用的减隔震装置

1.1 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梁结构的柔性,从而延长结构的周期来达到减震的效果。

1.2 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。

1 . 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。

1.4 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、抗剪螺栓及防尘密封裙等几部分组成。

四、桥梁结构减隔震技术的适用条件

由《公路桥梁抗震设计细则》可知，减隔震适应条件为

1、桥梁上部结构为连续形式，桥墩为刚性墩，下部结构刚度比较大，整个桥的基本周期比较短;

2、桥墩高度相差比较大时，桥梁下部结构高度变化不规则，刚度不均匀，引入减隔震装置可调节各个桥墩的刚度，因此可以避免刚度较大的桥墩承担很大的惯性力的情况；

3、桥址区的场地条件较好，预期地面运动特性比较明确，具有较高的卓越频率，使得主要能量集中在高频率段，长周期范围所含能量较少等情况。

存在以下情况之一时，不宜采用减隔震。

1、基础土层不稳定，易发生液化的场地，在地震作用下，场地可能失效；

2、下部结构刚度小，桥梁本身的基本周期较长；

3、位于软弱场地，延长周期可能引起地基与桥梁共振；

4、支座中可能出现负反力。

如果在桥梁设计时不注意减隔震设计适用范围和条件对任意桥梁都设计减隔震就会造成意想不到的后果。例如1999 年, 土耳其西部发生了Du zce712 级大地震,据统计共造成1000 多人死亡,5000 多人受伤,震害区绝大多数建筑物都遭到了破坏。美国专家结论是:B olu 高架桥的破坏是由于其结构保护系统( 即地震隔离系统) 的失效所引起。根据计算分析结果并结合现场调查,指出了地震隔离系统的设计存在以下严重问题:

(1) 隔震系统的位移能力不足。(2) 屈服后的刚度值偏低。(3) 地震隔离系统的周期不符合设计规范要求。(4) 结构保护系统没有足够的安全储备。

五、结语

减隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段。减震是利用特制减震构件或装置,使之在强震时率先进入塑性区,产生大阻尼,大量消耗进入结构体系的能量;而隔震则是利用隔震体系,设法阻止地震能量进入主体结构。在实践中,常常把这两种体系合二为一。通过选择适当的减隔震装置与设置位置,可以达到控制结构内力分布与大小的目的。

参考文献:

[1]白国良工程结构抗震设计华中科技大学出版社

[2]薛素铎赵均等建筑抗震设计科学出版社

[3]陈国兴陈中汉等工程结构抗震设计原理中国水利水电出版社

[4]陈永祁等外减隔震桥梁的失效分析工程抗震与加固改造第30 卷第 5 期

作者简介：程玉营（1985-）男，重庆交通大学硕士研究生，主要从事桥梁