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浅谈桥梁减隔震技术

发表时间：2020/1/7 来源：《建筑学研究前沿》2019年20期作者：武猛

[导读] 本文简要叙述了桥梁减隔震技术的原理和减隔震装置类型，并展望了今后桥梁减隔震研究的发展趋势。

天津第一市政公路工程有限公司 300163
        摘要：近年来，地震灾害的沉痛教训不断地警示着世人，使人们对桥梁的减隔震研究工作逐渐受到重视，桥梁减隔震理论及技术水平日渐提高。本文简要叙述了桥梁减隔震技术的原理和减隔震装置类型，并展望了今后桥梁减隔震研究的发展趋势。
        关键词：减隔震技术     支座类型     展望


一、引言
        桥梁工程在现代交通网络中起着重要的枢纽作用，但桥梁容易受到地震等自然灾害的破坏作用，从而造成人员伤亡和财产损失，并使交通中断。桥梁减隔震技术主要是将桥梁结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来，降低桥梁结构的地震力。
        理论研究表明，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，现阶段主要是利用柔性支承来延长结构的自振周期。因此，目前通常采用的减隔震技术是在桥梁结构的上部结构和下部结构间设置减隔震装置，以减隔震装置的较大相对变形来减少上部结构的加速度反应，大部分地震能量将由减隔震装置的大变形来吸收，降低地震力的作用，减少地震力的破坏程度。
        二、减隔震技术
        1、减隔震技术原理
        结构地震反应规律结构对地震的反应有两个基本规律：地震动的频率成分很复杂，但地震能量一般集中在一个频率范围内；结构的阻尼越大，结构的地震反应越小。减隔震技术工作原理为：
        （1）采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应。
        （2）保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。
        2、减隔震技术设计原则
        采用减隔震技术可以有效地提高桥梁结构的抗震能力。在设计时要分析其适用条件，正确选择、合理布置减隔震装置，并重视细部构件和构造的合理设计，以确保减隔震设计的效果。
        3、减隔震技术的适用条件
        最适宜进行减、隔震设计的情况有以下三种：
        （1）桥梁上部结构为连续形式，下部结构刚度比较大，整个桥的基本周期比较短。
        （2）桥梁下部结构刚度不均匀，引入减隔震装置可调节各桥墩刚度，避免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况。
        （3）场地条件较好，预期地面运动具有较高的卓越频率，长周期范围所含能量较少等情况。
        4、减隔震装置的选择
        减隔震装置不仅要能减震耗能，还应满足桥梁正常运营荷载的承载要求。具体有以下要求：
        （1）在不同水准地震作用下，桥梁减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力。
        （2）减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动。
        （3）当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时，减隔震支座产生的抗力比较低。
        （4）减隔震装置应具有较好的自复位能力。
        5、减隔震装置的布置位置
        （1）布置在桥墩顶部，起降低上部结构惯性力的作用。
        （2）布置在桥墩底部，能较大幅度降低整个结构的动力响应。

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        三、减隔震装置类型
        目前常用的几种减隔震装置有板式橡胶支座、聚四氟乙烯支座、铅芯橡胶支座、双曲面球型减隔震支座和摩擦摆支座等。减隔震装置必须有足够的柔性以延长周期、减小地震反应，但在运营荷载下，又要保证结构不发生大变形和有害振动。通过选择某种特性的弹性支承材料，可以达到上述目的。同时，需采用特殊的构造措施保证支承以上结构有较大的活动空间，但又不至于发生落梁和碰撞震害。
        1、板式橡胶支座
        板式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，使板式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。但是，板式橡胶支座在减小桥墩、台受到地震荷载的同时，也增加了梁体与墩台之间的相对位移，因此具有一定的局限性。
        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。聚四氟乙烯支座隔震的优点是对输入地震波频率特性不敏感，但由于它不具有向平衡位置的恢复力特性，使梁体与墩、台之间的相对位移很难控制。
        3、铅芯橡胶支座
        铅芯橡胶支座把橡胶和弹塑性阻尼较好的铅结合在一起，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。通过实验研究证明，铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性，其初始刚度可以达到普通板式橡胶支座的10倍以上，其屈后刚度接近于普通板式橡胶支座的剪切刚度。铅芯橡胶支座是解决中短跨桥梁抗震问题简单、可靠的方法，但是铅芯橡胶支座耐久性差、稳定性不高、承载能力有限，这些都限制了其在桥梁减隔震上的使用和发展。
        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、抗剪螺栓及防尘罩等几部分组成。地震发时，如果横向力超过给定值时，抗剪螺栓被剪断，支座的横向限位约束被解除，大半径球面摩擦副横向即可自由滑动，地震产生的能量在动能和势能之间反复转换，摩擦阻力逐渐消耗地震能量。双曲面球型减隔震支座结构简单耐久性优异，其未来的发展前景巨大。
        5、摩擦摆支座
        摩擦摆支座是一种有效的干摩擦滑移隔震体系。它可简化成一个沿圆弧面滑道运动的滑块，滑块嵌在类似关节腔的盖板中，以便与滑道完全贴合并使上盖板在滑道滑动时始终保持水平。滑块面与滑块的接触为面接触，当地震到来时，地面的水平运动会促使滑块在其圆弧面内水平滑动，能在滑动过程中耗散能量，滑块又会在自身重力作用下恢复到原来的位置。由于其具有良好的自回复、抗平扭能力，同时造价低、施工简单，因而受到了国外学者广泛深入研究，近年来已被成功应用于建筑、桥梁、化工、电力等重大工程项目的抗震减灾中。
        四、展望
        目前桥梁减隔震技术中有许多问题不能定量描述，仍需根据震害、概念设计及定性研究的成果提出细部构造。欧美国家桥梁抗震设计规范对结构的细部构造都比较重视。虽然我国建筑结构抗震设计规范中关于细部构造也比较详细，工程师在设计时比较容易操作，但与之相比，我国桥梁抗震设计规范相关条款比较粗糙，仍需要进一步完善。
        桥梁结构的抗震设防标准，尤其是大跨度桥梁的设防标准目前没有定论。许多专家、学者一直在提倡分级设防，对于每一级别结构的性能要求也进行了定性描述，但对于工程师来说这些定性的描述无法指导设计，只有将这些描述量化到强度、变形、延性等才能真正实现多标准、多设防的目标。
        五、结语
        经过几十年的研究与发展，桥梁减隔震技术有了长足的发展，但是由于桥梁结构的复杂性，使一些先进的技术无法直接得到应用。桥梁减隔震的研究还需要该领域的学者、工程师进行长期、大量的研究，从而为我国桥梁减隔震研究打开新的局面。

        参考文献
        ［1］黄继旺，李辉.关于桥梁抗震设计的探讨［J］.中国新技术新产品，2011，18
        ［2］杨东.桥梁抗震设计探析［J］.北方交通，2011.03