黨　紀

日本橋梁隔震的發(fā)展歷程簡介

黨紀

黨紀，工學博士，現于日本埼玉大學主要從事結構抗震、隔震與減震等教學與研究工作。1998年至2006年就讀于東南大學土木學院，先后獲得學士和碩士學位；2006年赴日留學，2010年獲日本愛知工業(yè)大學博士學位，后任該校抗震試驗中心博士后研究員，主要從事雙方向地震動耦合作用下鋼橋柱的抗震性能及其力學特性模型研究。2012年至2013年為京都大學研究員，從事隔震結構動力試驗、橡膠支座性能鑒定等研究工作。2013年至今為埼玉大學助教，從事教學與研究，研究領域包括結構抗震、隔震減震以及利用智能手機的結構監(jiān)測和無人機結構巡檢等。

日本隔震設計由來已久，其間遭受了幾次大地震的洗禮，經過數代學者的探索，發(fā)展至今。特別是1995年阪神大地震之后，日本橋梁隔減震技術得到了廣泛的應用，積累了豐富經驗，技術日趨成熟。盡管仍存在一些問題尚未解決，但其發(fā)展經歷和教訓有很多值得我國借鑒之處。本文旨在簡述其發(fā)展歷程，其間遇到的問題及其解決方法，介紹近年來的新問題和今后的展望，以供我國工程人員參考，也使得普通讀者對隔減震橋的由來有所了解。

隔震概念的起源

地震動發(fā)自震源，在地球內部和地表傳播，地表會相對于地心運動，建筑和橋梁等這些修建于地表的結構，則被地表帶動運動。由于結構相對于地心有慣性，地表帶動結構產生了慣性力。抵抗住慣性，使得結構隨著地表運動，是為抗震。

圖1　750年前的隔震京都三十三間堂

人們發(fā)現，一些結構如寺廟亭臺等，下部與地表并不牢靠，在地震中不完全隨地表移動，雖然震后偏離原來的地表位置，但上部結構并無大礙，依舊可以正常使用，故稱此種結構為隔震。隔減震結構有兩個任務，一個是使結構長周期化，以避開地震常見的1秒以下的特征周期，實現減少地震作用輸入上部結構；另一個是采用阻尼器或隔震支座吸收結構動能，控制地震時結構的變形。

隔震的概念由來已久，古代日本在建設寺廟時就沿用中國傳統方法，一層沙一層粘土交互鋪墊下部基礎，比如現存京都的三十三間堂，屹立不倒已750年（見圖1）。

到了近代，早在1909年英國醫(yī)師Calantarients就曾在美國申請關于隔震結構的專利（見圖2）。1923年的關東地震，給日本東京造成了災難性破壞，次年鬼頭三郎和山下興家在日本申請了關于隔震支座專利（見圖3）。這時的隔震其實和后來在橋梁中得到廣泛應用的滑動支座已經很接近了，基本原理就是小球滑軌支撐結構重量，地震時自由滑動。

圖2　Calantarients的隔震概念

圖3　鬼頭三郎的隔震裝置

之后關于建筑隔震減震的方法和理論得到了快速的發(fā)展，當時著名的剛柔論證中，真島健三郎在《關于房屋抗震的結構選擇》一文中指出當時主流的剛性結構耐久性和變形能力不足，認為柔結構更有利于抗震，提倡第一層用柔結構（Soft-first-story）。只不過當時既缺乏有效的強震記錄，也無計算機來計算反應譜，更無大型振動臺實際驗證，剛柔論證不了了之，隔震結構也沒有在那一時期得到真的應用。

圖4　采用橡膠墊的Melbourne的鐵道橋

圖5　日本第一座隔震橋宮川橋

隔震概念的理論驗證

第二次世界大戰(zhàn)結束之后，隨著計算機的出現，各種關于隔震結構的數值解析開始出現，相繼從理論上和數值試驗中，隔震結構的抗震性能逐步得到了驗證。

人們逐漸發(fā)現，結構在地震中的反應不單純跟結構的剛度相關，還和結構的重量相聯系，兩者之比標志結構特有的振動周期。而地面的運動也有自己的特征周期，一般靠近山地處，地基一般較為堅硬，場地的特征周期一般低于0.5秒，地下土層較厚，土質較為松軟的地帶，場地特征周期較長，通常在1秒附近。

隨著結構的自振周期變得越長，結構在地震動作用下的振動加速度也就越小，但是振動中產生的位移卻是逐漸變大。使用隔震的長周期結構可有效減小對地震的反應，但必須控制其變形即位移的增大。其中，控制地震反應位移的最好辦法就是增大結構阻尼。

另一方面，隨著橡膠產業(yè)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現工業(yè)橡膠和鋼板結合可得到水平方向柔軟，垂直方向高強的積層橡膠支座，也就是之后得到普遍應用的隔震橡膠支座。1889年澳大利亞墨爾本市的鐵道橋就用橡膠墊作為支座來減少振動噪音（見圖4）。

然而隔震的概念真正應用到橋梁中是在1980年以后。隨著隔震建筑的應用逐漸推廣逐漸開始得到應用，日本的國土交通省，一批頂尖的研究人員開展了由上至下研發(fā)隔減震橋梁的各種嘗試。1986年，當時國土交通省下屬的國土開發(fā)技術研究中心設立了專門研究這一技術在橋梁中應用的委員會，開始調研適用于公路橋梁的隔震裝置。經過多年研究，終于在1991年發(fā)表了他們的研究成果，也就是第一個公路橋梁隔震設計指南草案。同年日本第一個隔震橋梁——宮川橋竣工（見圖5），這也宣告了日本橋梁隔震的誕生。

圖6　日本抗震設計用地震動反應譜圖

圖7　可移動伸縮裝置

圖8　隔震與減震（長周期化與增大耗能）的反應譜解釋

橋梁隔震技術特點

隔震建筑主要通過延長結構固有周期（見圖6），避開地震動的卓越周期，使得地震動無法傳遞到結構。因此，這一方面需要柔軟的橡膠支座，但另一方面橡膠支座會產生較大的變形，通?；A層隔震建筑通過設置隔離空間和配置可活動軟管來滿足對這種大變形的需求?？墒菢蛄貉刂鴺蜉S方向很長，為了應對溫度伸縮和徐變收縮，橋梁與橋梁之間本來就需要設置較大的可伸縮裝置（見圖7），這樣能提供地震時可伸縮的空間就受到了局限。如果進一步加大伸縮縫，伸縮縫需要特殊定制，成本會變得難以接受。另外，車輛行駛會產生振動和噪音，伸縮縫過大，可能會導致車輛行駛速度受到限制等問題。

因此橋梁隔震相比較建筑結構，除了延長結構周期和避開場地特征周期以外，還需要大量的減震耗能裝置（見圖8）。增加結構耗能水平有兩個好處：一是減小結構地震作用下的變形，二是減小地震作用在下部結構（橋墩和基礎）時下部結構的反力。這樣既可減小所需要的伸縮空間，又可減小下部結構的設計荷載。但是既然需要控制變形，隔震橋梁的固有周期就不可能太長，與隔震建筑相比較，隔震橋梁的固有周期較短，少有超過2秒的情況。同時設置過多過強的阻尼器反而會反鎖結構變形，減少耗能效果造成反效果。因此無論是延長周期還是耗能減震，在隔震橋梁設計中都需要精確的計算分析，這也是橋梁隔震的設計的難點所在。

圖9　抗震橋（上）水平力分散橋（中）和隔減震橋（下），（圖片源自Oiles資料）

圖10　阪神地震中發(fā)生的落橋

圖11　抗震橋與隔震橋的區(qū)別

日本隔震橋梁的發(fā)展

早期的公路橋梁一般都采用鋼制的橡膠支座或移動支座。在橋軸方向，考慮到橋梁上部結構因溫差產生的收縮，一般橡膠支座布置在中央橋柱，其他橋柱和橋臺就需要布置滑動支座，以滿足上部結構收縮。因此這樣的橋梁就需要中間橋柱很強，其他橋柱較弱，因為地震時只有中間橋柱抵抗水平地震力（見圖9）。

在隔震橋梁出現之前就有很多橋梁使用橡膠支座，主要是把地震水平力分散到各個橋柱上，以增強橋梁整體抗震性能。雖然水平力分散橋不是嚴格意義上的隔震橋，既沒有使用隔震設計指南設計，且其抗震能力的提高主要是靠水平力分散，但其客觀上起到了一定延長周期的作用，也增加了結構變形能力。

在1995年兵庫縣南部地震（阪神淡路地震）中，傳統式樣的抗震橋梁遭受了慘重打擊，鋼制支座損害嚴重，甚至導致落橋（見圖10）。而使用了橡膠支座的橋梁卻基本沒有嚴重的損傷，橡膠支座竟無一破壞。從此，日本興起建設隔減震橋的潮流，1995年之后建設的新橋梁大部分是隔減震橋，對舊橋進行加固改造時，也經常將橋梁支座更換為隔震支座，采用隔減震的方法增加橋梁的抗震性能（見圖11）。

橋梁隔震支座

橡膠隔震支座從原來單一的純天然橡膠支座，發(fā)展出了加鉛芯的LRB和人工合成高分子粘彈性材料的高阻尼橡膠（HDR），甚至高阻尼橡膠中加入鉛芯的彈簧約束型鉛芯橡膠支座SPR-S（見圖13）。

鉛芯橡膠支座LRB利用橡膠的彈性變形和鉛的塑性耗能分別起到延長的作用。由于鉛芯所占比例可以調節(jié)，所以在設計上有一定的靈活性。而且LRB的特性穩(wěn)定，大變形情況下的超彈性硬化現象比較小，但由于鉛芯必須被有效約束，不然就會變成只有橡膠在變形，因此可加入的鉛芯是有限度的，其等價阻尼比為15%～20%。

然而由于LRB需要大量使用鉛，其未來對環(huán)境的影響還不明確，所以后來研發(fā)了對環(huán)境負擔比較小的高阻尼橡膠HDR。與RB和LRB不同，HDR使用的是人工合成高分子材料，又稱之為粘彈性材料，除了用于HDR隔震支座還可用于HDR阻尼器，也有人稱之為粘彈性阻尼器或橡膠阻尼器等。有些HDR（HDR-S等）的等價阻尼比甚至可以達到25%左右。結合了LRB和HDR兩者優(yōu)點的SPR-S，其耗能能力更是有飛躍性的提升。

圖12　隔震橋的常見設置方式（圖片源自Oiles主頁）

圖13　LRB（★Oiles），HDR（★川金）與SPR-S（★川金）

今后關于橋梁隔減震的課題

雖然在阪神地震等大地震中，隔震支座無一破壞，然而在2011年東日本大地震和2016年熊本地震的時候，均發(fā)生了橡膠支座破壞的現象。其中，不排除設計不當和橡膠支座性能不均一等因素，但其中主要原因被認為是與橡膠支座的老化有關。

最近在一些橋梁中發(fā)現LRB的鉛芯在經歷近20年的長期使用之后，逐漸從橡膠的包裹中溢出，造成支座表面橡膠隆起，甚至鉛芯露出。而一些使用了近30年的舊型號的橡膠支座（Ring Shoe），表面出現橡膠開裂，其變形性能也大幅下降。盡管增加了各種各樣的防止橡膠老化硬化的保護層薄膜等，一些僅使用10年的HDR的表面還是出現了裂縫。

雖然隔震支座的老化原因還有待進一步研究，但總體上與其室外使用環(huán)境有關，如長期受到雨水沖刷、紫外線輻射等，還與在橋端經歷反復伸縮及轉動變形等因素有關。因此，隔震支座的后期維護極為重要，一是要對隔震支座進行定期檢查維護；二是在設計制作時就要考慮在出現老化或在地震中受損后可以及時更換。

另外，如何考慮雙方向地震動耦合，如何簡化設計，同時考慮橡膠在大變形時的應力硬化，高阻尼橡膠在低溫下展現出較強的速度依存性和初次加載強化（Mullins效應）問題，這些難題還都有待解答。另外需要注意的是橡膠制品多少都有一些不確定性，不像金屬及混凝土這些材料那么穩(wěn)定可靠，因此在設計階段就應該適當考慮到這些不確定性，留有安全余地，采用較為穩(wěn)妥的設計。