1、采用减隔震支座提高桥梁结构的安全性【摘要】为了更好地提高桥梁结构的安全性，本文从减隔震设计、隔震装置的类型，以及减震技术的不足之处这三个方面对减隔震支座在提高桥梁结构安全性的应用进行阐述。 【关键词】减隔震支座；桥梁；结构；安全性 中图分类号：TU997 文献标识码： A 一、前言 在桥梁的建筑结构施工时，加入减隔震支座技术，可以最大程度的避免桥梁受到强震的影响，提高桥梁的安全性。因此，我们需要对减隔震技术进行详细的分析，以便提高技术的适用范围。 二、减隔震设计 1.减隔震原理 图 1 为结构的加速度反应谱，从图 1 可看出，延长结构的自振周期可以有效地减小结构的地震加速度反应，从而减小结构所
2、受到的地震荷载。但是，随着结构自振周期的延长，结构位移也同时增加，为了减小由于结构自振周期延长而增加的结构位移，可以采用增加结构阻尼的方法，由图 2 可见，加大结构的阻尼，结构的位移能得到明显的抑制。因此减震的机理是： （1）增加结构的柔性以延长结构的自振周期，达到减小由于地震所产生的地震荷载； （2）增加结构的阻尼或能量耗散以减小由于结构自振周期延长而增加的结构位移。 2.减隔震支座 我国桥梁橡胶支座的研究工作开始于 20 世纪 60 年代初，1965 年在广东肇庆的公路桥首次使用了板式橡胶支座，铁路部门于 1969 年在安徽固镇桥上使用了板式橡胶支座，目前板式支座在铁路中、小跨度桥梁上广泛
3、使用。板式橡胶支座是由橡胶板与薄钢板交替结合而成，由于薄钢板对橡胶的横向变形产生约束，使其具有非常大的竖向刚度；但在水平方向，薄钢板不影响橡胶的剪切刚度，因而保持了橡胶固有的柔韧性。 研究结果表明：板式橡胶支座的力位移滞洄曲线是狭长的，可以近似作线性处理。板式橡胶支座主要是靠增加结构柔性，延长结构周期来达到减震的效果，但其减小桥墩地震荷载的同时，也增加了梁体与墩台之间的相对位移。铅芯橡胶支座在一些多地震的国家中已广泛应用于桥梁上。 自 1978 年至 1992 年新西兰已有 39 座桥梁上采用了铅芯橡胶支座，日本从 1991 年至 1992 年有 10 多座桥梁采用铅芯橡胶支座，美国从 198
4、4年到 1992 年有 20 多座桥梁采用铅芯橡胶支座，我国曾在首都机场新航站扩建道路工程的桥梁上采用铅芯橡胶支座 20 多个。铅芯橡胶支座是在普通橡胶支座中部竖直地灌入铅芯而形成，利用铅芯在地震动过程中的弹塑性性能来达到耗散地震能量的效果。由于铅的屈服应力较低（约10MPa） ，并在塑性变形条件下具有较好的疲劳特性，被认为是一种较好的阻尼器。 铅芯橡胶支座具有较好的滞洄特性，其初始剪切刚度可以达到板式橡胶支座刚度的 10 倍以上，其屈服后的刚度接近于板式橡胶支座的剪切刚度，铅芯橡胶支座的滞洄曲线近似呈现为双线性行为，可用双线性模型模拟。由于铅芯橡胶支座构造比较简单，能提供较大的阻尼，被认为是
5、一种较好的减震支座。 三、隔震装置的类型 我国近几年采用的减隔震技术的按目的和种类来划分，一般有以下几个方面：通过延长结构的自振周期，同时把地震能量能量消耗掉的隔震装置来使结构的抗震性能得到提高，如铅芯橡胶隔震支座、摆式滑动摩擦支座等；通过耗能装置来消耗地震能量，达到改善桥梁结构局部关键部位的抗震性能，如粘滞阻尼器。下面对这些技术在桥梁中的实际特点和应用情况进行简要的比较和分析。 1.摆式滑动摩擦支座的应用 这类装置的原理是把钟摆和滑动摩擦支座的概念组合成一种新的隔震装置，是，通过其弯曲滑动面上滑动摩擦达到消耗地震能量的目的，利用一个简单的钟摆机理延长结构的自振周期，结构自重提供所需要的自复位
6、能力。这种支座的平面尺寸受到球面曲率半径和地震位移大小的控制，支座的平面尺寸一般很大。按照不同的隔震方向又可分为柱面、球面两类，前者在水平单向隔震方面的应用较广，而后者则主要是用于水平双向隔震。 2.粘滞阻尼器的应用 粘滞阻尼器的作用机理是利用活塞前后压力差强迫粘滞流体流过节流孔，从而使耗能和阻尼力产生，下式准确的表达了粘滞阻尼器的力学特性： 式中：是速度， 是阻尼系数，其值在 0.12.0，sgn 是符号函数。线性阻尼器是最简单的形式，指数为 1.0。同其他减隔震装置比较，粘滞阻尼器的特点主要是： (1)粘滞阻尼器在蠕变变形下，产生抗力接近于零，这使得该装置的引入不会影响到桥梁结构的正常使用
7、功能。而在由于温度所产生的变形之下，摩擦阻尼、弹塑性阻尼装置要求必须在克服弹塑性阻尼装置的摩擦力或屈服力后才允许自由变形。 (2)摩擦阻尼、弹塑性阻尼装置的摩擦力或屈服力是常数，且在墩变形最大的时候，往往这些值也会一起达到。当桥墩变形的速度达到最大的时候，粘滞阻尼器的阻尼力也会达到最大值，但是这时桥墩变形量是为最小值，其内力也是最小值，所以，桥墩的受力并不会因为粘滞阻尼器而显著地增大；当阻尼器的参数 =1，粘滞阻尼器装置因其速度与反力成比例，所以在桥墩变形最大时，粘滞阻尼器的阻尼力接近于零，反而最小。 3铅芯橡胶支座的应用 插入若干个铅芯的分层橡胶支座形成一个紧凑的隔震装置就是铅芯橡胶隔震支座
8、。因为铅芯的力学特性很好，分层橡胶支座能与其结合地非常好，因此其非常适合作为减隔震材料。此外，对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能，而且性能为理想弹塑性，纯度较高的铅也易于得到，其力学性能也非常的可靠。它的初始剪切刚度较高，剪切模量 G 约为130MPa，屈服剪应力较低，约为 10MPa。 四、减震技术的不足之处 减隔震技术的应用就是通过隔震装置、耗能部件以及同桥梁结构其他构件的共同作用来抵抗预期的设计地震，使其满足预期的性能目标。在明确隔震桥梁结构在不同水准地震作用下，结构预期的性能和各构件在抗震中所起作用的基础上，设计人员应根据结构预期的性能目标， “告诉”结构在不同水准地震作用下该怎么做，即
9、抵抗地震力时结构逐层弱化的传力路径、耗能机构，使惯性力顺利地传递到下部结构和基础，且在整个变化过程中结构的性能是延性的。 要达到这个目的，更多的是依赖于设计人员的经验和对结构在地震作用下的性能的深刻理解，通过合理的设计、构造细节、构造措施来实现，而不是通过复杂的分析方法。因此，在应用减隔震技术时，为了确保在地震作用下这些减震、隔震装置能有效发挥主导作用，其他构件抗震为辅，必须对整个桥梁结构体系的抗震传力路径有清晰的理解，其次是必须采用有效的细构造措施来给予保证。这也就是提醒设计人员等对确保减隔震装置正常发挥作用的一些构造措施、细节给予足够的重视。当前我国还没有完善的桥梁减隔震设计规范，也缺乏足
10、够的经验积累，尤其是在构造细节、构造措施方面，而这些方面如果设计不合理，可能导致最终的减隔震装置无效，甚至是有害的。 大跨桥梁结构是百年大计，而粘滞阻尼器产品无论国内、国外在桥梁中的应用时间均较短，并且在实际应用中一些厂家的产品已经发生漏油等损坏事例。国内目前尚没有这方面相应的产品标准、检测标准和设计规范可供使用。这一方面阻碍了这种技术的广泛应用，另一方面，也易使一些不合格产品进入实际桥梁结构中，造成潜在的隐患，一旦地震发生，可能会造成严重的后果。 这就要求在粘滞阻尼器使用中，应该强调进行产品的原型检测，以确保产品关键参数满足设计的要求；其次，应重视对产品的疲劳性能、耐久性能等进行检测，并对桥
11、上的阻尼器进行定期的检测和保养，发现问题立即进行维修或更换。因此，制定这方面相应的规范和产品标准、检测标准已刻不容缓。 为了确保隔震支座在地震作用下充分发挥其作用，隔震支座可自由变形，必须确保足够的位移间隙。因此在伸缩缝间隙的设置、防落梁措施等构造措施的设置均应对此给予足够的重视。 五、结语 随着我国大量桥梁的不断建设，在强震地区进行桥梁的建设时应当加抗震结构的设计。为此，我们应当加强对于减震技术的研究，尽可能的提高桥梁的抗震水平。 参考文献 1陈洪 桥梁结构设计中减隔震技术的应用 J 建材与装饰 -2012 年 36 期- 2黄艳，阎贵平，鞠彦忠 采用减隔震支座提高桥梁结构的安全性 J 中国安全科学学报 ISTIC PKU -2002 年 5 期- 3王淑涛，刘兆光，胡盛 减隔震技术在大跨度预应力混凝土连续梁桥设计中的应用 J 公路 ISTIC PKU -2011 年 7 期- 4张骏，阎贵平 减隔震支座对梁式桥抗震性能的影响 J 中国公路学报 ISTIC EI PKU -2002 年 1 期-
