桥梁减隔震技术

桥梁减隔震技术

自20世纪60年代以来，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。

近一个世纪以来,将建筑物与由强震产生的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,提出了许多很有创造性的隔震装置"但是减!隔震技术最初是用于建筑结构抗震的,随后才用于桥梁结构之中"经过日本关东大地震!中国唐山大地震的考验,减!隔震技术在工程中的应用更是得到了一致的肯定"对它的研究也越来越多"目前世界上有几个国家的桥梁结构中已采用了部分隔震的结构形式。

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,其中包括有4座用隔震系统加固来提高抗震性能的桥梁"到目前为止,桥梁隔震系统中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震和耗能的双重功能,伺时它们还支承着上部主体结构的重量,并且还提供弹性恢复力"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了隔震支承"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的位移外,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,而且在缓慢的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。

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应用于桥梁是在1984年,是对SierraPOintBridge进行抗震加固"该桥原建于1956年,长ZO0m,宽40m,水平方向略有弯曲,动力分析表明,在0.69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来代替一刚性球铰支座进行隔震"所有工程都是在不中断桥上桥下的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。

日本的桥梁中,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支座"日本第一座隔震桥梁完成于1990年,是静岗县横跨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,安装有铅芯橡胶支座".该桥的主体结构

横向是受到约束的,沿桥纵向有士150二的间隙可供移动,超过这一范围桥台将限制其进一步的移动"适当选择和布置铅芯橡胶支座,使其将总惯性力合理的分配到各个桥墩和桥台上"。

桥梁橡胶支座的出现为减隔震技术的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"目前我国桥梁工程中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匹氟乙烯滑板组合支座"

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"。

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"

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（Natural Rubber Bearing）、铅芯橡胶隔震支座（Lead Rubber Bearing）、高阻尼橡胶支座（High Damping Rubber Bearing）和摩擦滑移支座（Sliding-Friction Bearing）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[1]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[4]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[5]。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[6]，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