BZ系列減隔震橡膠支座對橋梁抗震性能研究

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西 西安 710032)

為了減輕地震帶來的傷害，人們采取了許多措施，其中減隔震支座的使用，是這方面的重要方式之一，在這其中，減隔震技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)是一個重要的研究方面。早在上個世紀70年代，日本，法國，意大利等多個國家已經(jīng)真正應(yīng)用減隔震橡膠支座。目前，西方發(fā)達國家對于這方面的設(shè)計方法和產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)比較成熟，然而，由于造價高昂以及國內(nèi)外標準不通用等原因，這類產(chǎn)品并不能很好的在全世界流通使用。上世紀60年代，我國開始研究并逐步投入使用關(guān)于橋梁的橡膠支座，近年來，減隔震橡膠支座的技術(shù)在不斷發(fā)展，并且根據(jù)歐盟標準制定了相關(guān)產(chǎn)品規(guī)范，但這些規(guī)范主要用于建筑結(jié)構(gòu)，在橋梁上的使用及推廣很少，所以本文針對中小型簡支T型橋，提出一種新型減隔震支座——BZ 系列減隔震橡膠支座，來進一步分析和討論這種支座在橋梁結(jié)構(gòu)中的抗震性能。

一、問題提出及研究目的

橋梁支座的減隔震設(shè)計方案由于其原理簡單明了，施工高效方便，減隔震效果顯著的優(yōu)點成為目前最受歡迎的一種結(jié)構(gòu)隔震方法。當前減隔震支座主要有以下幾種形式：鉛心橡膠支座、盆式橡膠支座、高阻尼橡膠支座，這些支座的原理都是吸收消耗地震的能量從而避免橋梁的損害來減小地震對人們生命財產(chǎn)造成的威脅。但是根據(jù)適用領(lǐng)域來說，某些地區(qū)使用以上隔震支座會造成資源浪費以及造價過高等問題?；谶@種問題本文研究“BZ(板式支座)系列減隔震橡膠支座”，通過對傳統(tǒng)板式支座進行鋼板及橡膠層數(shù)的合理設(shè)置，優(yōu)化橡膠層厚度，使其在水平和豎向都能夠?qū)Φ卣鹆ζ鸬搅己玫淖枘嶙饔?，能夠延長結(jié)構(gòu)的自振周期從而減小結(jié)構(gòu)所受的地震加速度，從而有效的減小地震對人們帶來的損害。

二、隔震結(jié)構(gòu)體系

(一)橋梁結(jié)構(gòu)的隔震原理

隔震結(jié)構(gòu)是在橋梁上下部設(shè)置減隔震裝置，通過延長結(jié)構(gòu)周期，消耗地震能量等方式達到降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的。大量實驗數(shù)據(jù)表示，結(jié)構(gòu)采用減隔震裝置水平加速度能夠降低到非隔震的40%，能夠有效減少結(jié)構(gòu)破壞，使結(jié)構(gòu)處于彈塑性變形階段，是橋梁保持在安全范圍內(nèi)。

通過采用減隔震裝置增加上下部結(jié)構(gòu)的柔度，與非隔震體系相比，結(jié)構(gòu)的自振周期增大，使整個結(jié)構(gòu)落在加速度較小的區(qū)域。通過使用阻尼器，吸收一部分地震能量，在原有的基礎(chǔ)上起到有效控制隔震層位移的目的。水平作用力方面，為了能夠表示支座的隔震性能，引入“水平柔度”，水平柔度指支座在水平力下在水平方向上發(fā)生的變形，變形越大，柔度越大，在橋梁支座隔震中，支座的水平柔度大小與隔震性能不成正比。

(二)隔震技術(shù)發(fā)展概況

我國橋梁支座的發(fā)展始于 20 世紀 60 年代橡膠支座的問世打破了傳統(tǒng)鋼支座的思想，先后產(chǎn)生了板式橡膠支座、盆式橡膠支座和球型鋼支座，并且廣泛應(yīng)用于公路橋、鐵路橋上。最初，支座的設(shè)計理念來源于“靜力設(shè)計”，通過確定橋梁所承受的水平力來計算支座截面尺寸，不同大小的地震力需使用不同截面尺寸的支座，結(jié)構(gòu)所受水平力等于橋梁結(jié)構(gòu)的自重與地震動峰值加速度之積，通過已有的水平力大小并利用靜力方法計算支座本體的抗剪強度，抗剪強度與地震動的峰值加速度有關(guān)，當峰值加速度較大時，結(jié)構(gòu)的水平力可達豎向力的 30%～40%，橋梁結(jié)構(gòu)所用支座必須通過加大尺寸才能抵抗如此大的水平力，長期工程實踐結(jié)果表明，支座過大的截面尺寸往往會造成橋墩支底剪壞等問題，隨著科研領(lǐng)域的不斷發(fā)展，減隔震支座的問世解決了這一問題。使用減隔震支座，不但可以抵抗地震力，而且有效改善支座與橋墩受力。

三、疊層橡膠支座的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

疊層橡膠支座技術(shù)當生育于上世紀 60 年代，由美國學(xué)者Kelly提出，早期的橡膠支座并未當做減隔震體系使用，僅作為傳力構(gòu)件設(shè)置在結(jié)構(gòu)上下部之間。繼 Kelly 提出疊層橡膠支座之后，美國學(xué)者Gent及Lindley通過試驗研究分析了板式橡膠支座的受力性能，由于當初的試驗條件有限，并未完全得出支座的受力特征，十年之后，Gent對板式橡膠支座的力學(xué)實驗進行補充，得到板式橡膠支座明確的物理性能，如：支座的受力特點、剛度、彈性模量、形狀系數(shù)等，為支座的設(shè)計與使用提供有力依據(jù)。直到 20 世紀以來，隔震支座的應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向橋梁結(jié)構(gòu)。1999 年，施衛(wèi)星、李正升對某疊層橡膠支座的動態(tài)性能進行試驗研究，分析了該橡膠支座的豎向剛度、剪切變形、阻尼比等特性，進一步確定了疊層橡膠支座的應(yīng)用范圍；2002 年張敏政、孟慶利等在前人已做研究的基礎(chǔ)上對疊層橡膠支座的動態(tài)穩(wěn)定性做了詳細研究分析；由世歧等通過試驗研究了溫度變化對板式橡膠支座的力學(xué)性能影響，文中重點研究了低溫環(huán)境下支座的工作機理；秦德生以工程力學(xué)為基礎(chǔ)，分析計算了板式橡膠支座的抗壓彈性模量及抗剪彈性模量；李沖、王克研究了支座的抗震滑移性能；李立峰、吳文朋等基于時程分析方法，以某中等跨徑橋 梁為例，借助太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫選取 100 條地震波，對板式橡膠支座進行易 損性分析，以此來評價結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。近些年來，不少學(xué)者提出新型節(jié)能橡膠支座，2012 年王斌、譚平等提出利用新型纖維增強工程塑料板的夾層橡膠隔震支座；2014 年田杰、張志達提出了一種低造價橡膠支座，通過聚酰胺纖維板改善支座的豎向性能與水平剪 切性能，不但保證了支座的良好隔震性能，同時降低了結(jié)構(gòu)造價。

四、BZ系列減隔震橡膠支座的研究意義及結(jié)論

(一)BZ系列減隔震橡膠支座的研究意義

現(xiàn)有的減隔震技術(shù)效果顯著，但成本過高，并且維修養(yǎng)護復(fù)雜，在中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地區(qū)橋梁抗震方便存在結(jié)構(gòu)富裕但經(jīng)濟成本過高等問題，因此，在已有的板式橡膠支座基礎(chǔ)上研究一種減隔震效果相當，但是造價并不昂貴的減隔震支座具有實用價值。

目前的板式橡膠支座豎向承載力較低并且水平剛度較大，對于抗震效果并不理想，在此基礎(chǔ)上改變鋼板層及橡膠層厚度，橡膠的加工工藝等能制造出一種性能較好的支座——BZ減隔震橡膠支座。

同普通的板式支座相比，BZ系列減隔震橡膠支座具有以下優(yōu)點：支座的豎向承載力相比于普通的板式支座顯著提高，能夠滿足地震力下結(jié)構(gòu)需要；相同尺寸的BZ減隔震橡膠支座通過增加支座內(nèi)部橡膠層厚度；水平方向力學(xué)性能優(yōu)越支座和梁體連接；避免了落梁情況的發(fā)生易于安裝，易于維護，造價低廉。

(二)結(jié)論

本文通過對橋梁支座發(fā)展的縱向調(diào)查研究，同時對各種橋梁支座的橫向?qū)Ρ妊芯康贸鲆韵陆Y(jié)論：現(xiàn)有橋梁支座大部分能夠滿足一般地區(qū)抗震性需要。但對于中國目前現(xiàn)狀來說，現(xiàn)有的橋梁緩隔震技術(shù)同實際需要并不完全匹配。BZ緩隔震橡膠支座應(yīng)用于橋梁可以將實用性與經(jīng)濟性在現(xiàn)有的中國實際情況下較好結(jié)合，能夠比較滿足中國建設(shè)發(fā)展的實際國情，既能夠滿足安全性實用性需求，又能將造價控制在較低范圍，同時滿足我國抗震設(shè)計規(guī)范。

西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(1070214034)。