淺談隔振器在公路橋梁上應(yīng)用

張小慧

（內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限公司呼和浩特分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

淺談隔振器在公路橋梁上應(yīng)用

張小慧

（內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限公司呼和浩特分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

通常在地震工程中減隔振橋梁的設(shè)計不是數(shù)學(xué)方程和安全系數(shù)的簡單應(yīng)用，它需要理解和接受一種特殊的設(shè)計思路，文章探討了常用隔振器和耗能裝置，重點介紹了分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動支座的優(yōu)缺點和隔振作用原理。

隔振器；橋梁；支座；應(yīng)用

1 概述

目前，橋梁設(shè)計者和負責(zé)橋梁抗震保護者已分成尖銳對立的兩派，一派認為減隔振裝置是解決所有抗震問題的最佳方法；另一派認為這種方法極不可靠，應(yīng)杜絕使用。由于這種分歧，即便有減隔振橋梁非線性相應(yīng)的良好模擬能力和可靠的生產(chǎn)水平，減隔振設(shè)計在大震中的相應(yīng)經(jīng)驗也仍然有限。另一方面安全標(biāo)準(zhǔn)的建立又與變化的保護系數(shù)和相應(yīng)參數(shù)有關(guān)，而這種建立安全標(biāo)準(zhǔn)的研究還不完善，這也是將來研究的一個重要領(lǐng)域。

就目前來看，設(shè)計隔振橋梁應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，減隔振器裝置必須進行測試和非線性時程分析，橋梁檢測中心必須慎重的進行周期性檢查和裝置的重新測試。由于設(shè)計參數(shù)選擇余地大，因此，很難找到一個簡單的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，所以減隔振器也難以做到規(guī)范化。因此，最終的設(shè)計必須進行更可靠的核查，其作用也必須用能模擬其真實響應(yīng)的模型來加以證實。

2 隔振器和耗能裝置

2.1 常用隔振裝置的特性

減隔振體系提供附加水平柔度和能量耗散的同時，也必須能夠支撐整個結(jié)構(gòu)物，這3種功能同時集在一個裝置上，或者也可以用不同的組成部分來提供這些功能。例如，傳統(tǒng)的橋梁采用將連續(xù)梁面板支在四聚氟乙烯支座上來承受溫度變形，其位移可用液壓和粘滯阻尼器加以限制，而且這些方法均可耗散額外能量。

除了減隔振體系改變震動周期和增加結(jié)構(gòu)阻尼以外，選擇減隔振體系時尚需仔細考慮以下幾個參數(shù)：①重復(fù)準(zhǔn)靜力荷載下的變形能力（即初始剛度）；②屈服力和位移；③極限位移和達到極限后的特性；④變形后的恢復(fù)能力；⑤豎向剛度。

以下介紹目前世界上主要常用的隔振裝置和它們的主要特性：

2.1.1 分層橡膠支座

對橋梁的上部結(jié)構(gòu)做簡單的隔振裝置是圓形或矩形橡膠支座，但這種支座也有許多缺點，這主要與豎向荷載作用下的大變形有關(guān)。在支座中插入一些水平鋼板后大部分缺點都能克服，因為這些彈性支座墊片不但能使豎向剛度得以增加，也增大了只坐在水平荷載作用下的穩(wěn)定性,因主要由橡膠控制特性，這種支座的反應(yīng)大致呈線性。因此，如果沒有其他構(gòu)件來提高其阻尼和非地震荷載下的穩(wěn)定性，通常很少采用這種支座，除非所用橡膠具有很高的內(nèi)阻尼。

支座的數(shù)量、形狀和設(shè)計由要傳遞的豎向荷載控制。假如最大水平位移已設(shè)定，則支座的強度將與作用面積成正比，與橡膠層厚度成反比，而這又決定了支座的豎向和轉(zhuǎn)動剛度。橡膠層總厚度（層數(shù)）將對支座最大允許側(cè)向位移和振動周期產(chǎn)生重要影響。

2.1.2 鉛芯橡膠支座

以上所述分層橡膠支座有許多顯著的優(yōu)點，然而也存在阻尼的增長幾乎可忽略以及在低靜載下變位較大等有關(guān)的基本缺點。插入鉛芯后（見圖1）由于鉛芯能耗散地震影響時的能量和增加靜載下的支座剛度，得到這種簡單裝置能滿足一個良好隔振體系的大部分要求，因此，在橋梁中這種裝置應(yīng)用很廣。

圖1 鉛芯分層橡膠支座

鉛金屬合適的力學(xué)性能使其成為一種能與分層橡膠支座聯(lián)合作用的最佳材料：較低的屈服剪切強度（約10 MPa），足夠高的初始剪切剛度（約等于130 MPa），基本呈彈塑性特征以及塑性循環(huán)下良好的疲勞特性。對一個鉛芯直徑為支座直徑的1/4的支座，如果考慮橡膠的特性，容易驗證支座的初始水平剛度約增長了10倍，這在風(fēng)荷載和制動力作用時具有顯著優(yōu)點。鉛芯的響應(yīng)基本呈理想彈塑性曲線，因此，屈服后支座剛度將與普通橡膠支座相同。見圖1。分層橡膠支座的最大側(cè)向力可由剛度和允許位移求得，其近似計算公式如下：

其中，假設(shè) G r=1 MPa，A’/A=0.5，正方形支座寬度為 B（mm），高為h(mm)，Vr單位為N，再假設(shè)鉛芯直徑為B/4，剪切剛度為10MPa，則鉛芯所受最大水平力可由下式求得：

或近似：V1=B2/2

對一個總高度為h、寬度為B、鉛芯直徑為支座邊長的1/4的支座，鉛芯與橡膠對支座總強度的貢獻大致相當(dāng)。。

實驗表明，在一個很大的頻率范圍包括典型地震頻率在內(nèi)，鉛芯橡膠支座對應(yīng)變率的依賴性很小，并且在重復(fù)荷載下具有較強的穩(wěn)定特性（20圈后最大位移處耗能能力大約減少20%），而且其溫度依賴性也不強（60℃溫度變化大約引起30%的內(nèi)力變化）。鉛芯橡膠支座在徐變荷載下的影響也較好；在典型溫度引起的速率上，鉛芯的剪切應(yīng)力大約減少為較高地震加速率時的30%。由橡膠產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力也足以將結(jié)構(gòu)推回初始位置。鉛芯橡膠支座將周期偏移和阻尼增加結(jié)合到一個簡單的豎向支承上了，因此，成為橋梁隔振經(jīng)濟而有效的方法。然而必須注意，鉛芯的增加也使大部分在分層橡膠支座下具有的自恢復(fù)特征喪失了。因此必須注意從制作的角度出發(fā)，為保證鉛芯的純受剪特性，鉛芯必須用鋼板良好的約束住，這將保證滯回線對較大范圍的豎向荷載均不敏感，因此，鉛芯圓柱應(yīng)略大于預(yù)留圓柱。

3 滑動支座

不銹鋼——四氯乙烯支座作為橋梁上部結(jié)構(gòu)的滑動支座大約已使用了40多年，這種支座允許橋梁產(chǎn)生溫度位移。在極低速率，例如溫度和徐變推倒下，四氯乙烯在不銹鋼板上的摩擦系數(shù)約為0.02～0.03（依靠潤滑劑）；但在典型地震速度和橋梁支座壓力下，摩擦系數(shù)卻相當(dāng)高，約在0.10～0.15之間變化，但這種支座需要定期予以檢查和維修。四氯乙烯支座的相應(yīng)幾乎為完全剛塑性，因而其能量耗散能力極大。由于等效屈服強度依賴于摩阻系數(shù)，這點就有些不太可靠。該體系沒有任何自恢復(fù)力，故存在滑動較大甚至支座脫開的可能性。

圖2

圖3

由于相應(yīng)的可預(yù)測性和可靠性都不盡人意，也由于沒有任何自恢復(fù)力，四氯乙烯支座必須和其他裝置一起使用才能成為一種隔離裝置。四氯乙烯支座如與鋼板阻尼器或橡膠支座聯(lián)合使用，將產(chǎn)生良好的組合效果。對前者，所有豎向力將由四氯乙烯承擔(dān)，其摩阻系數(shù)將保持在最低值，而鋼板阻尼器則可提供部分自恢復(fù)力和額外的阻尼。對后者，豎向力由兩種體系分擔(dān)，四氯乙烯支座的軸向力將有所降低，而橡膠支座將提供一個自恢復(fù)力。橡膠支座與四氯乙烯支座也可組合成一個上下疊合體系，以在受力小于支座滑動力時提供足夠柔度。

當(dāng)滑動支座的概念和擺錘式響應(yīng)的概念相結(jié)合時，就產(chǎn)生了一種概念上有趣的隔振體系，即摩擦擺錘體系（簡稱FPS），見圖2，這個原理可見圖3說明。橋面重力支撐于滑動在一球面的滾軸上，因此，任何一個水平運動都將產(chǎn)生一個重力的豎向提升，如忽略摩阻，該體系的運動方程就近似于一質(zhì)量相等的擺錘運動，擺錘長度為球面曲線半徑。對一自重為W，質(zhì)量為M,曲線半徑為r的擺錘，顯然其振動周期Tp和相關(guān)剛度Kp分別為（g為重力加速度）：

對低于支座材料摩阻力的水平力，這種支座的力——位移響應(yīng)呈剛性，承受較大荷載時則與Kp成正比，換言之，當(dāng)水平力超過摩阻力時，結(jié)構(gòu)將以Tp為周期作擺動。

它與相似形狀的橡膠支座相比，豎向承載能力、側(cè)向剛度和振動周期的變化與支座尺寸變化的數(shù)量級相同。

3 結(jié)束語

盡管摩擦擺錘體系（FPS）支座具有很多顯著優(yōu)點，但在國內(nèi)很難見到這種支座用于橋梁結(jié)構(gòu)中，也許因為這種技術(shù)的發(fā)展較新的緣故（或者還有其他因素制約），建議我國橋梁研究工作者大力推廣應(yīng)用。

Discussion on the Isolator’s Application in the Highway Bridge

Zhang Xiaohui

Usually in the earthquake engineering,less vibration bridge design is not a simple application of mathematical equation and safety factor.It needs to understand and accept a particular design idea.The paper discusses the normal isolator and energy dissipation device,highlights the advantages,disadvantages and isolation principle of layered rubber bearing,lead rubber bearing and slidingbearing.

isolator；bridge；bearing；application

TB535

A

1000-8136(2011)08-0036-02

張小慧，女，內(nèi)蒙古人，2006年7月畢業(yè)于北京交通大學(xué)工程管理系，助理工程師。