橋梁減震隔震技術及裝置

雷曉鳴

長安大學公路學院，陜西西安 710064

我國是一個多發(fā)強震高發(fā)國家，其地理位置處于世界兩大地震帶歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶之間。地震對公路尤其是橋梁造成的破壞，對搶險救災交通要線影響甚大，橋梁的抗震設計日益受到工程師重視。而橋梁的減震、隔震技術是橋梁抗震設計的主要內容之一。隨著對地震效應的逐步認識，橋梁的抗震設計走過了“以抗為主”向“抗放結合”的道路。橋梁減隔震裝置逐漸有了標準，逐漸走向產(chǎn)品化。

1 橋梁減震、隔震技術發(fā)展

1.1 單純以強度設計為主的一階段設計

我國橋梁的抗震設計，傳統(tǒng)的方法是以強度設計為主，通俗講，地震力有多大，橋梁的部件就有多強，不發(fā)生被破壞。相對于橋梁的支座設計，采用“靜力設計”的方法，用地震峰值加速度乘結構的自重來確定地震區(qū)橋梁支座所要承受的水平力，橋梁支座本體及錨螺栓的抗剪強度也依照靜力法設計。按這種方法設計時，當?shù)卣鸬膭臃逯递^大時，支座所承受的地震水平力很大，有時可以達到支座豎向力的30%～40%，此時僅依賴于增加支座的結構尺寸來抵抗地震力，無論對支座本身還是對橋墩的受力，都是不利的。

1.2 兩水平設防和兩階段抗震設計方法

2008 年汶川地震后，我國修訂了《公路橋梁抗震設計細則》，橋梁構件采用兩階段設計和兩水平設防的方法。即第一階段的抗震計算與設計時，采用傳統(tǒng)的彈性力學方法，第二階段的抗震設計，允許橋梁墩柱、結點等構件通過變形、位移，來耗散地震的能量，使力的能量轉換為位移。通過對我國邢臺、唐山、汶川的地震震災分析與研究，逐步認識到了地震具有發(fā)生頻率不同的特點，即多種地震頻率的危害特點。采用分類設防和分階段設計思想，使橋梁的抗震設計做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。小、中地震的發(fā)生，其頻率相對高些，地震作用造成的結構構件的損傷而不影響其使用功能，結構仍處于彈性狀態(tài)下，按極限法其強度極值作為其設計的原則。對于發(fā)生概率比較低的大地震，按一種種突發(fā)的特殊荷載來進行設計，如果仍要求結構構件仍處于彈性工作階段，抵抗這種大的地震作用，在經(jīng)濟上合不來。在這種設計狀態(tài)下，應當允許結構構件產(chǎn)生塑性變形、位移，甚至造成一定的有限度損傷，產(chǎn)生塑性較，但不至于造成橋梁的倒塌。這樣設計滿足了“大震不倒”的要求，與現(xiàn)有的建筑抗震設計思想一致。

1.3 減隔震支座是橋梁減隔震技術主要裝置

支座是上下部連接構件，通過設置減震、隔震支座，可大大改善橋墩的地震受力時狀態(tài)，更有效的抵抗地震力的作用，而不出現(xiàn)局部或整體的破壞，并且在地震過后仍具備一定的殘余抗力。它是滿足正常使用功能的前提下，通過延長周期、消耗地震能量、降低結構相應達到抗震目的。通過設計合理的減隔震裝置，使橋梁的大部分耗能、塑性變形集中于這些裝置，在E2 水平地震作用下，支座發(fā)生大的塑性變形和存在一定的殘余位移，而結構的其他構件（墩柱、結點等）基本為彈性或有限塑性，從而保證橋梁主要構件（柱、梁）安全。

減小地震響應的設計思想采取的方法：

1）通過增加阻尼，減小支座位移；2）通過增加支座位移，延長結構基本周期，減小力的作用；3）結合以上兩種情況，即增加阻尼和延長結構基本周期兩項效應組合。

1.4 開展的減隔震支座產(chǎn)品標準研究情況

經(jīng)過歷次地震經(jīng)驗與技術人員研究和開發(fā)，為滿足公路橋梁減隔震設計，研究人員開展了彈塑性鋼隔震支座、摩擦擺式隔震支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座研究工作，目前在公路、高速鐵路以及市政橋梁上應用很多。交通部已經(jīng)頒布的減隔震支座產(chǎn)品標準有：JT/T842-2012 公路橋梁高阻尼橡膠隔震支座、JT/T822-2011 公路橋梁鉛芯橡膠隔震支座。研究人員開展的摩擦擺式隔震支座標準和彈塑性鋼隔震支座的研究的部頒標準的草稿也已基本完成，處于報批階段?？傊ё漠a(chǎn)品標準逐步走上規(guī)范化道路。

歐洲標準化委員會頒布于2009 年11 月頒布了EN5129-2009《減隔震裝置》標準。該標準對減隔震支座和裝置給出了其設計參數(shù)與分類。

2 減震隔震支座的種類及特征

2.1 剛性連接裝置

剛性連接裝置是減震隔震裝置的一種形式，通常采用限制裝置的一個或多個方向的位移，原則上他們不應該具有任何水平方向的變形性能。常用的剛性連接裝置可以分為永久連接裝置、熔斷保護裝置和臨時（動態(tài)）連接裝置幾種。

2.2 彈塑性鋼阻尼裝置

彈塑性鋼阻尼裝置又稱鋼滯變阻尼器或軟鋼阻尼器。主要是利用金屬在進入塑性狀態(tài)后具備良好的滯回特性，并在塑性滯回變形過程中吸收大量能量的原理制造的一種減震裝置，這種裝置具有形狀設計自由、易加工，維修費用低等優(yōu)點，同時軟鋼阻尼裝置還具有阻尼特性穩(wěn)定、阻尼比受溫度影響小、阻尼比高等優(yōu)點。依照軟鋼阻尼器在耗能時的主要受力狀態(tài)可以將其劃分為：扭轉型、剪切型和彎曲型等。

在金屬的本構關系中表明，金屬進入屈服階段后，在塑形循環(huán)期間，應力隨著變化范圍擴大而變大，但屈服水平下降。并且在一定的應變范圍內，反復和荷載作用下，荷載-位移曲線只有中等程度的變化，在反復荷載作用下，阻尼量也只有中等程度的減小，直到屈服量接近低循環(huán)疲勞壽命的終期。因此，阻尼器在設計時應該能限制地震的循環(huán)應變范圍，還有確保有能力抵抗若干次地震和至少一次的極限地震。目前常用的彎曲型彈塑性鋼阻尼器有E 型阻尼器、弧形鋼阻尼器和短臂鋼阻尼器等。

2.3 高阻尼橡膠支座

在北美、西歐和日本等國家都在研究和生產(chǎn)高阻尼橡膠支座，用于橋梁的減震、隔震，這類支座的阻尼比可以達到0.15左右。高阻尼橡膠支座由上下連接鋼板、高阻尼橡膠板和加勁鋼板組成，其結構形式和普通板式橡膠支座相同。支座和梁體及墩臺是采用連接鋼板連接。

高阻尼橡膠支座的彈性剛度隨著變形大小變化的，變形大則剛度小，變形小剛度大，呈非線性狀態(tài)。高的初期剛度可以取得良好的抵抗風荷載的制動功能。而地震來臨時，由于變形大時剛度小，則又可以產(chǎn)生較好的隔震效果。在過大的變形發(fā)生時，橡膠的硬化現(xiàn)象會使其剛度進一步增加，可控制上部結構的過大的變位效果。

高阻尼橡膠支座具備以下特點：

1）作為隔震支座，具有承載能力、恢復力和阻尼三合一的功能；

2）滯回特性飽滿，對于風荷載和地震作用產(chǎn)生的振動效果可以發(fā)揮隔震效果；

3）高阻尼橡膠支座本身即可發(fā)揮隔震的功能，無需其他輔助裝置，減小了成本；

4）在大地震后，也不會產(chǎn)生殘余形變，且支座特性變化小，無需更換；

5）其彈性性能和阻尼特性對溫度依賴小，應用領域廣泛；

6）采用天然橡膠后蠕變性能優(yōu)化，更加利于隔震；

7）在支座表明涂抹三元乙丙橡膠，可保護橡膠不受環(huán)境影響，增強了其耐久性。

2.4 摩擦擺式隔震支座

摩擦擺式減震、隔震支座是1987 年由美國地震保護體系（EPS）公司研制而成，并首先應用于房屋建筑結構。其本質也是摩擦阻尼支座，但它依靠于兩個曲面的摩擦來實現(xiàn)支座的正常功能。

摩擦擺式隔震支座的原理比較簡單，支座的下支座板是個較大半徑的凹球面，橋面支撐在上面，地震時，橋面與橋墩發(fā)生相對位移，支座中心部分的擺動球面板沿凹球面發(fā)生擺動，該體系的運動方程近似于一個質量相等的鐘擺運動，鐘擺長度為曲率半徑。這樣，利用一個簡單的鐘擺機理延長了下部結構的自振周期，以減小地震力的作用。在支座的運動中，重力的豎向升高，使得動能轉化為勢能，消耗了地震能量。且這種支座還具備一定的復位能力。目前鐘擺式減震、隔震支座已在橋梁結構和房屋建筑中廣泛應用。

2.5 地震防落梁裝置

在地震地區(qū)，許多橋梁都是由于梁體下落而導致橋梁結構損壞，為防止上部結構的下落，應設置防落梁體系。該裝置由防落梁裝置、梁體支撐長度、位移限制構造和羅拉防止構造等構成。在采用鋼支座時，一般應設置防落梁裝置；在采用橡膠支座等可變形支座時，應設置防落梁裝置和位移限制裝置。

防落梁裝置應該具有在能滿足正常使用過程的情況也要滿足地震時支座破壞，防止梁體掉落地面，能支撐梁體保持在適當高度上的功能。

3 結論

橋梁的抗震、隔震支座裝置對于橋梁遭受地震作用時，有效保護橋梁正常使用的關鍵性部件，制造出性能更優(yōu)越、抗震性能出色的支座，可以更有效的保證保證橋梁的安全運行和高速發(fā)展。

[1]JTG/TB02-01-2008 公路橋梁抗震設計細則[S].

[2]莊軍生.橋梁減震、隔震支座和裝置[M].北京：中國鐵道出版社，2012.