桥梁减隔震支座设计性能探讨

桥梁减隔震支座设计性能探讨

张龙

广东省交通规划设计研究院股份有限公司

摘要：进入新世纪以来，桥梁抗震支座快速发展。在影响桥梁安全性的因素中都免不了地震，地震时刻威胁着桥梁结构的安全性。桥梁因地震而出现的事故越来越多，人们对桥梁在地震下的反应认识也越来越多。桥梁支座的发展有部分是适应了抗震理念和抗震手段的发展。桥梁抗震支座正朝着更加合理化、更加巧妙化、更加成熟化的方向发展。

0引言

在桥梁的抗震设计中抗震支座的设计是不容忽视的一部分，其一直以来都被认为是桥梁体系中抗震性能比较薄弱的一个环节[1]。在地震过程中桥梁的支座会出现不同程度的破坏，导致上部结构和桥墩相继出现破坏，继而出现梁体滑移或者落梁[2]。当地震导致的支座剪力超过了支座的承受范围时就会出现支座的被拉坏或者被剪坏或者支座周围混凝土裂开等情况。在中国的5.12汶川大地震的调查中发现众多的桥梁破坏当中都有支座的因素[3]。

支座的破坏会导致结构体系内的传力路径发生改变，对桥梁的影响极大。近年来，支座减震隔震控制技术发展极快。鉴于以前的对于支座抗震采用“硬抗”的方式不再适用，因而采用减震隔震的新思维诞生。利用能量的概念采用主动控制和被动控制以及两者相结合的控制方式[4]，设法通过延长结构的基本周期，避开地震能量的集中范围等方式将结构尽可能地与可引起结构破坏的地面运动分离开来，以减少地震的输入能量，增大结构耗能能力来抵御强震的作用。

1几种典型抗震支座探讨

1.1铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座是在叠层橡胶支座的中部垂直的插入铅芯而形成的。铅芯具有良好的弹塑性性能，因此在地震过程中具有良好的耗散地震能量的能力。

铅的屈服强度只有10MPa，相对较低，但其又具有130MPa的高的初始剪切刚度，并且其在塑性变形的条件下具有良好的疲劳特性。铅芯橡胶支座在地震作用下的刚度分初始刚度和屈服刚度两种，为铅芯的剪切刚度和橡胶的剪切刚度之和，只为橡胶的剪切刚度。

铅芯橡胶支座具有良好的滞回特性，其初始刚度很大（可以达到普通叠层橡胶支座的10倍以上），但其在温度变化及徐变等作用下引起的支座抗力却很低[1]。铅芯橡胶支座的滞回曲线面积随铅芯的直径或者个数增大而增大，且变形加大。这说明铅芯橡胶支座在交变剪切荷载作用时消耗于支座的变形功大于卸载时支座释放的功，其另一部分则被支座所吸收，这使得铅芯橡胶支座的设计具有很大的灵活性[5]。

1.2高阻尼橡胶支座

普通的橡胶支座应用比较广泛，但是普通的橡胶对温度比较敏感。其在低温下容易硬化，在高温下容易软化。同时，对于广泛使用的铅芯橡胶支座，其铅的生产对环境产生较大的污染。因此研究一种新型的保护环境且对温度不敏感的橡胶支座也显得尤为迫切。

位的问题，且其构造也简单，造价不高，因此得到了很好的发展。

目前，我国已经开发了六种具有自动恢复能力的滑动减隔震装置[1]。其中应用较多的有FPI（FrictionPendulumIsolation)和双曲面球型减隔震支座。

FPS的设计最重要的参数是产生的回复力和滑动阶段的水平刚度。其水平力计算公式如式1，滑动阶段水平刚度计算如式2所示。

图1辊轴摩擦支座结构图2双线性恢复力模型

其包含一个上支座板和一个下支座板，上下支座板之间有不锈钢衬板，且于不锈钢衬板与支座板之间填充有聚四氟乙烯夹层。其作用机理为：在地震作用下上下支座板随着辊轴的转动而与不锈钢衬板之间发生相对滑移，通过次滑移摩擦消耗地震能量。并且由于辊轴的作用，其相对滑移也只保持在一定范围内，因此，在地震后的复位修复也较为容易。

采用双线性模型模拟辊轴摩擦支座的滞回特性，并采用（屈前强度）、（屈后强度）、（屈服强度）等作为支座的力学控制参数，则其双线性滞回模型如图2所示。

1.6拉索减震支座

拉索减震支座是盆式橡胶支座的基础上增设限位装置而成的。盆式橡胶支座具有竖向承载能力大且水平位移量大的有点，具有良好的耗能性质，但是其在强震作用下虽然能耗能，但是不具备自动恢复的能力，导致了主梁和桥墩的相对位移难以控制。如果此种情况不能得到控制，在地震后支座就会产生很大的残余变形，严重时甚至导致落梁。基于此，拉索减震支座就是利用在小震及中震情况下利用螺栓保持固定功能，在大震情况下利用抗剪螺栓的剪断耗能并且利用拉索装置限制梁体位移。拉索减震支座构造见图3

图3拉索减震支座构造

拉索减震支座在其本质上属于滑动摩擦型减隔震支座，因此其对地震波的频率相对于其他支座而言是不敏感的。

拉索减震支座具备了盆式橡胶支座的优点，且聚四氟乙烯板与上支座板的不锈钢板之间的摩擦系数小，因此其水平滑移能力强。更重要的是拉索成功地限制了水平限位不强的弱点，使得桥梁在地震之后容易复位。

1.7弹塑性防落梁球型钢支座

弹塑性防落梁球型钢支座是由丰泽工程橡胶科技开发股份有限公司与同济大学联合开发的。其构造示意图如图4所示。上支座板、球芯及底座之间的滑动面使得支座可以适应较大转动的需要[8]。

图4弹塑性防落梁球型钢支座构造图5力—位移曲线

弹塑性防落梁球型钢支座的力—位移曲线如图5所示[8]。图中A对应的为剪力销的抗剪强度（设为竖向力的10％），当地震小于此抗剪强度时由剪力销抵抗地震力，如果地震力大于此抗剪强度，则剪力销被剪断，此时由悬臂棒承受地震力。悬臂棒的工作阶段分为弹性阶段和塑性阶段，当进入塑性阶段时就能够达到减震耗能的目的。当位移达到C点时则已到达极限，此时要由挡块限制位移防止落梁的发生。

1.8高阻尼橡胶减震盆式橡胶支座

高阻尼橡胶减震盆式橡胶支座是西南交通大学赵灿晖教授带领团队研发的一种新型抗震支座。其最主要的用途是解决长联多跨的连续梁桥的抗震缺陷。其构造如图6所示。图中:a表示顺桥向，b表示横桥向；1-原支座座身；1.1-支座原顶板；1.2支座原底板；2-横桥向顶板延长板；3-横桥向底板延长板；4-顺桥向挡块；5-顺桥向高阻尼橡胶结构；6-顺桥向适配支撑；7-H型刚挡块与高祖尼橡胶结构之间的净距。

图6支座三位透视图

此支座的滞回曲线根据不同的情况分不同曲线，此处给出其最常用的具有代表性的两种滞回曲线，如图7～图8所示。此支座的耗能主要由几个方面构成：一是盆式支座的滑动摩擦耗能、一是高阻尼橡胶垫的阻尼性能耗能、一是顶工字钢的屈服耗能。一个滞回所损耗的总能量则可以通过滞回环的面积得到。

图7支座滞回特性一图8支座滞回特性二

此支座的功能是桥梁处于正常使用阶段时满足桥梁的正常使用，其特性与普通盆式支座性能类似。在地震工况作用下，当挡块压缩高阻尼橡胶垫时则其减隔震性能得到发挥，不只耗散上部结构的地震能量，而且具有限位的功能，防止落梁。而且，高阻尼橡胶在挡块接触时提供了良好的缓冲作用，减轻桥墩的峰值受力。

高阻尼橡胶减震盆式橡胶支座应用于连续梁桥中性能优良，能良好地解决连梁在地震作用下桥墩受力很不均等的问题，使各个桥墩能较为均匀地共同发挥作用以抵抗地震作用，对桥梁下部结构的优化设计提供了很好的手段。

2结论

（1）桥梁减隔震支座的种类数不胜数，还有高度可调式的盆式橡胶支座，还有拉压支座、导向支座、混凝土铰支座、柱面支座等。另外，为了减隔震耗能，还有各种类型的阻尼器，比如E型钢阻尼器、弧型钢阻尼器、短刚臂钢阻尼器、弹塑性钢阻尼器、流体粘滞阻尼器（也称液压阻尼器）等等阻尼器。有些抗震措施可能联合使用才能达到更好的效果。

（2）桥梁抗震设计中支座的设计一直都是很难把握的一部分。因此抗震支座的需要朝着更加成熟的方向发展，抗震支座需广大学者深入研究。

参考文献:

[1]范立础.桥梁抗震[M].同济大学出版社,1997

[2]叶爱君,管仲国.桥梁抗震[M].人民交通出版社,2011

[3]庄军生.桥梁支座[M].中国铁道出版社,2010

[4]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].中国铁道出版社,2012

[5]朱文正,刘健新.铅销橡胶支座对桥梁抗震性能的影响[J].长安大学学报,2004

[6]唐红梅,刘荣灿,陈洪凯.桥梁辊轴摩擦支座的减震性能研究[J].公路,2010

[7]袁万城,王斌斌.拉索减震支座的抗震性能分析[J].同济大学学报,2011

[8]聂利英,朱广甫.新型弹塑性防落梁球型钢支座在桥梁抗震设计中的应用[J].江南大学学报,201