雷曉鳴

長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064

我國是一個多發(fā)強(qiáng)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(zāi)交通要線影響甚大，橋梁的抗震設(shè)計日益受到工程師重視。而橋梁的減震、隔震技術(shù)是橋梁抗震設(shè)計的主要內(nèi)容之一。隨著對地震效應(yīng)的逐步認(rèn)識，橋梁的抗震設(shè)計走過了“以抗為主”向“抗放結(jié)合”的道路。橋梁減隔震裝置逐漸有了標(biāo)準(zhǔn)，逐漸走向產(chǎn)品化。

1 橋梁減震、隔震技術(shù)發(fā)展

1.1 單純以強(qiáng)度設(shè)計為主的一階段設(shè)計

我國橋梁的抗震設(shè)計，傳統(tǒng)的方法是以強(qiáng)度設(shè)計為主，通俗講，地震力有多大，橋梁的部件就有多強(qiáng)，不發(fā)生被破壞。相對于橋梁的支座設(shè)計，采用“靜力設(shè)計”的方法，用地震峰值加速度乘結(jié)構(gòu)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(qiáng)度也依照靜力法設(shè)計。按這種方法設(shè)計時，當(dāng)?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(dá)到支座豎向力的30%～40%，此時僅依賴于增加支座的結(jié)構(gòu)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(shè)防和兩階段抗震設(shè)計方法

2008 年汶川地震后，我國修訂了《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》，橋梁構(gòu)件采用兩階段設(shè)計和兩水平設(shè)防的方法。即第一階段的抗震計算與設(shè)計時，采用傳統(tǒng)的彈性力學(xué)方法，第二階段的抗震設(shè)計，允許橋梁墩柱、結(jié)點(diǎn)等構(gòu)件通過變形、位移，來耗散地震的能量，使力的能量轉(zhuǎn)換為位移。通過對我國邢臺、唐山、汶川的地震震災(zāi)分析與研究，逐步認(rèn)識到了地震具有發(fā)生頻率不同的特點(diǎn)，即多種地震頻率的危害特點(diǎn)。采用分類設(shè)防和分階段設(shè)計思想，使橋梁的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷而不影響其使用功能，結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)下，按極限法其強(qiáng)度極值作為其設(shè)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(jìn)行設(shè)計，如果仍要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍處于彈性工作階段，抵抗這種大的地震作用，在經(jīng)濟(jì)上合不來。在這種設(shè)計狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)允許結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)計滿足了“大震不倒”的要求，與現(xiàn)有的建筑抗震設(shè)計思想一致。

1.3 減隔震支座是橋梁減隔震技術(shù)主要裝置

支座是上下部連接構(gòu)件，通過設(shè)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(jié)構(gòu)相應(yīng)達(dá)到抗震目的。通過設(shè)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(jié)構(gòu)的其他構(gòu)件（墩柱、結(jié)點(diǎn)等）基本為彈性或有限塑性，從而保證橋梁主要構(gòu)件（柱、梁）安全。

減小地震響應(yīng)的設(shè)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(jié)構(gòu)基本周期，減小力的作用；3）結(jié)合以上兩種情況，即增加阻尼和延長結(jié)構(gòu)基本周期兩項(xiàng)效應(yīng)組合。

1.4 開展的減隔震支座產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究情況

經(jīng)過歷次地震經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)人員研究和開發(fā)，為滿足公路橋梁減隔震設(shè)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(yīng)用很多。交通部已經(jīng)頒布的減隔震支座產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和彈塑性鋼隔震支座的研究的部頒標(biāo)準(zhǔn)的草稿也已基本完成，處于報批階段?？傊ё漠a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)逐步走上規(guī)范化道路。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒布于2009 年11 月頒布了EN5129-2009《減隔震裝置》標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對減隔震支座和裝置給出了其設(shè)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(yīng)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(hù)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(jìn)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(shè)計自由、易加工，維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。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(zhuǎn)型、剪切型和彎曲型等。

在金屬的本構(gòu)關(guān)系中表明，金屬進(jìn)入屈服階段后，在塑形循環(huán)期間，應(yīng)力隨著變化范圍擴(kuò)大而變大，但屈服水平下降。并且在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，反復(fù)和荷載作用下，荷載-位移曲線只有中等程度的變化，在反復(fù)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(shè)計時應(yīng)該能限制地震的循環(huán)應(yīng)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(dá)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(jié)構(gòu)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(fēng)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(jìn)一步增加，可控制上部結(jié)構(gòu)的過大的變位效果。

高阻尼橡膠支座具備以下特點(diǎn)：

1）作為隔震支座，具有承載能力、恢復(fù)力和阻尼三合一的功能；

2）滯回特性飽滿，對于風(fēng)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(yīng)用領(lǐng)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(hù)橡膠不受環(huán)境影響，增強(qiáng)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(hù)體系（EPS）公司研制而成，并首先應(yīng)用于房屋建筑結(jié)構(gòu)。其本質(zhì)也是摩擦阻尼支座，但它依靠于兩個曲面的摩擦來實(shí)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(yùn)動方程近似于一個質(zhì)量相等的鐘擺運(yùn)動，鐘擺長度為曲率半徑。這樣，利用一個簡單的鐘擺機(jī)理延長了下部結(jié)構(gòu)的自振周期，以減小地震力的作用。在支座的運(yùn)動中，重力的豎向升高，使得動能轉(zhuǎn)化為勢能，消耗了地震能量。且這種支座還具備一定的復(fù)位能力。目前鐘擺式減震、隔震支座已在橋梁結(jié)構(gòu)和房屋建筑中廣泛應(yīng)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(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞，為防止上部結(jié)構(gòu)的下落，應(yīng)設(shè)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(gòu)造和羅拉防止構(gòu)造等構(gòu)成。在采用鋼支座時，一般應(yīng)設(shè)置防落梁裝置；在采用橡膠支座等可變形支座時，應(yīng)設(shè)置防落梁裝置和位移限制裝置。

防落梁裝置應(yīng)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(dāng)高度上的功能。

3 結(jié)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(hù)橋梁正常使用的關(guān)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(yùn)行和高速發(fā)展。

[1]JTG/TB02-01-2008 公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)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.