橋梁新型減隔震支座的研究進(jìn)展

1、<p>　　橋梁新型減隔震支座的研究進(jìn)展</p><p>　　【摘要】：本文介紹了橋梁減隔震體系的工作原理，回顧了減隔震支座中常用的滑動(dòng)摩擦體系、橡膠類體系、鋼耗能體系的基本特點(diǎn)、設(shè)計(jì)參數(shù)及工程應(yīng)用實(shí)例。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】：橋梁；減隔震；支座研究 </p><p>　　中圖分類號(hào)：U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </p>

2、<p><b>　　引言 </b></p><p>　　橋梁支座作為橋梁結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵構(gòu)件，不僅承擔(dān)著傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載至墩臺(tái)，適應(yīng)活載、溫度變化、混凝土收縮與徐變等因素的作用，同時(shí)還確保了上、下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況符合設(shè)計(jì)的計(jì)算圖式。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，生命線抗震減災(zāi)工程不斷受到重視，作為上、下部結(jié)構(gòu)傳力核心的橋梁支座也開始承擔(dān)起減隔震的功能。本文通過介紹橋梁支座的主

3、要原理及研究應(yīng)用情況，提出新型減隔震支座研發(fā)的合理思路。 </p><p>　　一、橋梁常用減隔震支座 </p><p>　　1、普通減震阻尼橡膠支座(MRB) </p><p>　　普通減震阻尼橡膠支座一般采用天然橡膠或氯丁二氯橡膠制造。這種支座只具有彈性性質(zhì)，本身并無顯著的阻尼性能，因此，通常需要和阻尼器一起并行使用。目前國內(nèi)橋梁建設(shè)中廣泛采用的盆式橡膠支座與此

4、類同。由于它采用天然橡膠，因此本身無明顯的阻尼性能，阻尼比很小。該支座能夠增加橋梁結(jié)構(gòu)的柔性，減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但不能很好的控制梁體位移，因此一般需與阻尼機(jī)構(gòu)一起使用。 </p><p>　　2、鉛芯減震阻尼橡膠支座 </p><p>　　在普通減震阻尼橡膠支座中部豎直地灌入鉛棒就成為鉛芯減震阻尼橡膠支座。灌人鉛棒的目的一是提高支座的吸能效果，確保支座有適度的阻尼。二是增加支座的早期

5、剛度，對(duì)控制風(fēng)反應(yīng)和抵抗地基的微震動(dòng)有利。鉛芯減震阻尼橡膠支座既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以單獨(dú)地在隔震系統(tǒng)中使用，而無須另設(shè)阻尼器，使隔震系統(tǒng)的組成變得比較簡單。由于純鉛材料具有較低的屈服點(diǎn)和較高的塑變耗能能力，使鉛芯減震阻尼橡膠支座的阻尼比可達(dá)到30%左右。由這種橡膠支座組成的隔震系統(tǒng)作為主導(dǎo)產(chǎn)品，己廣泛應(yīng)用于國外的大中型橋梁，并取得了良好的效果。 </p><p>　　3、高阻尼減震支座 </

6、p><p>　　這種支座采用高阻尼橡膠材料制造。高阻尼橡膠可以通過在天然橡膠中摻入石墨得到，根據(jù)石墨的摻人量可調(diào)節(jié)材料的阻尼特性。高阻尼橡膠也可由高分子合成材料制成，這種人工合成橡膠不僅阻尼性能好，而且抗老化性能也極佳，阻尼比可達(dá)到15%左右。和鉛芯減震阻尼橡膠支座一樣，高阻尼減震橡膠支座同時(shí)具備隔震器和阻尼器兩方面的功能，可在隔震系統(tǒng)中獨(dú)立使用。但這種橡膠的性能尚不穩(wěn)定，對(duì)加載幅值和加載時(shí)間有很強(qiáng)的依賴性，還需進(jìn)一

7、步研究改進(jìn)。 </p><p>　　二、新型減隔震支座的研究思路 </p><p>　　普通的減隔震支座都是在墩、梁之間起到很強(qiáng)的連接作用的，這種支座在地震來臨時(shí)，會(huì)將很大一部分地震荷載傳遞給梁體，容易造成梁體的位移過大，而發(fā)生落梁、梁端碰撞等較為嚴(yán)重的地震災(zāi)害，同時(shí)由于梁體自重引起的慣性力會(huì)進(jìn)一步增大墩頂?shù)奈灰疲瑢?dǎo)致墩底彎矩過大而破壞。如果我們能研制出一種在無震或小震的情況下可以很好的連

8、接墩、梁，將上部荷載傳遞給墩臺(tái)，而在大震來臨時(shí)，這種連接關(guān)系可以很快解除，希望支座在此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣就可以大大降低甚至隔斷墩與梁體之間的相互作用，減小橋墩受力，從而保護(hù)橋墩。 </p><p>　　這種滑動(dòng)摩擦隔震體系的最大優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)輸入地震波的頻率不敏感，隔震范圍較廣泛。在地震力作用下，傳到上部結(jié)構(gòu)的最大加速度近似等于支座的摩擦系數(shù)，下部結(jié)構(gòu)受到的最大水平力近似等于摩擦力。 </p>

9、<p>　　三、新型滑動(dòng)摩擦隔震支座研究 </p><p>　　新型滑動(dòng)摩擦隔震支座的工作原理是：在無震或小震時(shí)，支座四周的豎向擋板和滑動(dòng)體系共同承受豎向荷載；當(dāng)?shù)孛婕?lì)超過某一限度，即支座擋板被剪壞后，滑動(dòng)面開始滑移，發(fā)揮隔震作用，這時(shí)即使地面激勵(lì)再增大，傳入上部結(jié)構(gòu)的地震力也不會(huì)隨之增加。因此，通過選取適宜的摩擦材料就可以控制傳入上部結(jié)構(gòu)的地震力。 </p><p>　　1、

10、滾軸式隔震支座 </p><p>　　滾軸式隔震支座的作用原理是：當(dāng)無震或小震時(shí)，由支座四周的擋板承受豎向荷載，滾軸并不受力，其構(gòu)造示意圖如圖1所示。擋板由螺栓連接，當(dāng)支座所受的剪切力超過螺栓抗剪強(qiáng)度、支座變位亦即最大相對(duì)位移超限，上、下支座板就會(huì)錯(cuò)位，此時(shí)上滑動(dòng)面會(huì)落到滾軸上，滾軸開始發(fā)揮作用，如圖2所示。這時(shí)上部結(jié)構(gòu)傳遞給橋墩的地震力僅僅是由于滾軸摩擦而引起的，其數(shù)值與使用普通支座時(shí)上部結(jié)構(gòu)傳遞給墩頂?shù)牡卣鹆?/p>

11、相比己經(jīng)小了很多。 </p><p>　　圖1滾軸式隔震支座圖2滾軸式隔震支座作用示意圖 </p><p>　　這種滾軸式支座具有非常好的隔震性能，能有效的隔斷地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)因?yàn)閼T性而傳遞給橋墩的巨大的地震力，使其減小為因?yàn)槟Σ烈鸬暮苄〉哪Σ亮?，但是該種支座存在著一些缺點(diǎn)，主要有：該支座不能提供橫向位移功能；不能提供轉(zhuǎn)動(dòng)功能。因此單獨(dú)將其作為一種支座使用，其局限性是比較明顯的，但是如果我

12、們將其和普通的具有橫向位移能力和轉(zhuǎn)動(dòng)能力的支座結(jié)合起來一起使用時(shí)，性能將會(huì)非常優(yōu)越，比如我們可以將普通支座通過焊接或者螺栓等的連接，安裝在該滾軸式支座的上部，由普通支座提供相應(yīng)的橫向位移、轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，該滾軸式支座在無震或者小震時(shí)僅僅起到支撐作用，但當(dāng)大震來臨時(shí)，滾軸式支座的周邊擋板被剪壞，滾軸開始發(fā)揮作用，就可以很好的隔斷地震荷載的傳播，起到保護(hù)橋墩的作用。 </p><p>　　2、活動(dòng)盆式支座和恢復(fù)裝置 &l

13、t;/p><p>　　通常所用的板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座等，通過延長結(jié)構(gòu)周期，增加結(jié)構(gòu)阻尼，能夠有效的減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但是其豎向承載力不高，因此僅在中小跨度的鐵路和公路橋梁中得到應(yīng)用。盆式支座由于其豎向承載力高而在大跨度鐵路和公路連續(xù)梁橋中得到廣泛應(yīng)用。但由于剪壞后的固定盆式支座和活動(dòng)盆式支座不具有自恢復(fù)力，因此梁體的平衡位置在地震作用下會(huì)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致梁體與墩臺(tái)之間的相對(duì)位移很難控制。特別是當(dāng)支座滑動(dòng)面與

14、上部結(jié)構(gòu)接觸面出現(xiàn)偶然傾斜時(shí)，梁體的平衡位置會(huì)沿傾斜方向越來越遠(yuǎn)離初始平衡位置，墩梁相對(duì)位移會(huì)越來越大。這種相對(duì)位移的累積不僅使震后支座有較大的殘余位移，難于修復(fù)，而且相對(duì)位移過大可能導(dǎo)致主梁發(fā)生落梁。基于上述特點(diǎn)，本文提出將固定盆式支座改為活動(dòng)盆式支座，由活動(dòng)盆式支座承受主要的豎向荷載，并采用具有一定自恢復(fù)力的彈塑性減震耗能裝置與其并聯(lián)使用。如圖3所示 </p><p>　　試驗(yàn)表明，活動(dòng)盆式支座的動(dòng)力回滯曲線

15、類似于理想彈塑性材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，凡為活動(dòng)盆式支座的彈性剛度，雙為臨界摩擦力，按下式計(jì)算：Fs=fxN </p><p>　　式中：fx一滑動(dòng)摩擦系數(shù)； </p><p><b>　　N一支座的豎向壓 </b></p><p>　　由活動(dòng)盆式支座和彈塑性恢復(fù)裝置組合而成的系統(tǒng)，其力一位移關(guān)系和滯回關(guān)系如圖4 </p><

16、p>　　從圖可以看出，當(dāng)位移u較小時(shí)，活動(dòng)盆式支座尚未發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的剛度為活動(dòng)盆式支座與彈塑性減震耗能裝置的彈性剛度之和Ks+Ka。由于活動(dòng)盆式支座彈性剛度較大，所以此時(shí)水平地震力主要由活動(dòng)盆式支座承受，彈塑性減震耗能裝置受力較小。隨著位移u的增大，活動(dòng)盆式支座發(fā)生滑動(dòng)，但彈塑性減震耗能裝置仍保持彈性，此時(shí)系統(tǒng)的剛度等于彈塑性減震耗能裝置的彈性剛度Ka。隨著位移u的進(jìn)一步增大，彈塑性減震耗能裝置發(fā)生屈服，此時(shí)系統(tǒng)的剛度為彈塑

17、性減震耗能裝置的屈后剛度rKa?？梢钥闯?，采用活動(dòng)盆式支座和彈塑性減震耗能裝置組合后，合理地設(shè)計(jì)彈塑性減震耗能裝置的彈性剛度Ka和屈服力Fy，可以使減隔震裝置系統(tǒng)在不同水平的地震作用下處于不同的工作狀態(tài)，比如在小震作用下活動(dòng)盆式支座滑動(dòng)而彈塑性減震耗能裝置保持彈性，中震或大震作用下彈塑性減震耗能裝置屈服等，這對(duì)于滿足不同的性能指標(biāo)是有益的。 </p><p><b>　　結(jié)束語 </b>&l