斜拉橋結構中隔震減震技術的應用

張逸塵 唐 蓉

(1.解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2.工程兵工程學院，江蘇 徐州 221004)

(1.State Key Laboratory for Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact,PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China; 2.PLA Engineering Academy, Xuzhou 221004, China)

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斜拉橋結構中隔震減震技術的應用

張逸塵1唐 蓉2

(1.解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2.工程兵工程學院，江蘇 徐州 221004)

針對斜拉橋本身具有半漂浮結構的特點，提出了通過粘滯阻尼器與減、隔震支座的減震設計思路，并闡述了粘滯阻尼器、鉛芯橡膠支座及拉索減震支座的性能和應用方法，從而達到減弱結構地震反應的效果。

斜拉橋，減震設計，粘滯阻尼器，鉛芯橡膠支座

1 概述

斜拉橋是一種由塔橋，梁，拉索，路板組成的橋梁結構，主要的地震力集中在橋板系統，地震慣性力的傳播是通過斜拉索和塔墩，然后傳遞到承受塔墩的地基。

因此，在進行減震隔震設計時一般將耗能設備安裝在斜拉橋主梁和塔橋連接處，可以通過這些設備確保在地震作用下斜拉橋可以耗散掉地震能量，而且還可以進一步改變結構的動力特性，增大結構的安全系數。

2 減震設計思路

一般的結構抗震性能要從內力和位移兩方面進行考慮。為了達到最好的減震效果，結構在地震作用下的內力和位移需要盡可能的小[1]。但是在一般情況下，這兩點要求往往是矛盾的，為了使結構的位移小，需要以較大的內力為代價。反之一樣。斜拉橋結構具有漂浮體系的特點,并擁有剛度小,周期長,位移大的特性[2]。在塔與梁之間搭建彈性約束體系后，整體結構的剛度會隨彈性約束的剛度增大而增大，結構的周期會減小。

斜拉橋本身具有半漂浮結構的特點，橋面板主要依靠斜拉索與塔橋連接，結構整體在地震作用下橋面產生內力相對較小，主要應力與彎矩集中在塔橋上。

地震作用下,結構的運動微分方程為:

(1)

對斜拉橋結構的減，隔震的設計有很多方法，可以通過粘滯阻尼器，減震支座等方法實現設計要求。

3 粘滯阻尼器的使用

3.1 粘滯阻尼器的力學特性

粘滯阻尼器的結構如圖1所示，由一塊固定鋼板和一塊可動鋼板組成。其間保持一個微小的距離，間隙之間填充粘性體。在震動發生時，固定板和可動板發生相對移動，其間的粘性體會產生剪切應力，起到阻尼作用。

3.2 粘滯阻尼器的優點

1)粘滯阻尼器一方面可以依靠粘滯作用減小結構的內力，另一方面也可以降低震動時的位移。

2)粘滯阻尼器可以一定程度上改善斜拉橋的動力特性,增加斜拉橋的縱向振動的周期，提高減震效果。

3)使用粘滯阻尼器可減小地震水平慣性力。

4)使用粘滯阻尼器時,在水平地震作用下,可減小主應力的最大值和最小值的峰值差，從而達到減小疲勞破壞的效果。

4 減、隔震支座的使用

橋梁結構的梁體與墩臺的連接處設有支座。根據理論與實驗可知，通過在梁與墩臺的連接處使用減、隔震支座,可以達到延長結構周期、增加結構阻尼系數的效果，從而達到減震隔震的設計目標。研究表明:斜拉橋的梁與塔的連接方式會對其動力反應有很大的影響[3]。本文以常見的鉛芯橡膠支座為例進行簡單介紹與分析。

4.1 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座的基本結構如圖2所示。支座的基本結構是橋梁上下支板之間的橡膠結構，在橡膠材料中垂直灌注鉛芯使之成為一個鉛塊柱狀體。在震動發生時，由于結構內部材料慣性作用，鉛芯和橡膠之間會發生相對震動，可以達到滯回耗能的效果。

鉛芯橡膠支座的結構簡單，同時其可以在斜拉橋結構中提供較大的阻尼，并且由于其結構特點可以單獨作為橋梁的制作，因此在很多國家被廣泛用作橋梁和建筑物的減、隔震工具。

4.2 鉛芯橡膠支座的作用

鉛芯橡膠支座之所以選用鉛柱作為支座的中心是由于鉛的屈服應力較低(約為7 MPa)，并在塑性變形條件下具有較好的疲勞特性[4]，是一種很好的阻尼器。整體來看，鉛芯橡膠支座在實際工程中可以達到如下效果：

1)鉛芯橡膠支座可有效延長結構的震動周期，其延長效果比一般的板式支座更好；

2)鉛芯橡膠支座的使用可以大幅減少橋墩處的剪力與彎矩，使地震力得以重新分配。

5 拉索減震支座

5.1 拉索減震支座設計原理

橋梁工程中一個常見的結構形式是連續梁橋，一般在每個系統的連續梁中會有一個墩位設置固定支座，其余墩位設置活動支座。但由于活動支座承受的力較小，一旦發生地震作用，固定支座上會集中大量應力并最容易發生破壞，橋梁的位移會進一步增大，結構會十分不穩定。特別是由于塔橋高度較大，在外力作用下人容易發生位移，梁的平衡位置也會發生偏移，并逐步遠離初始平衡位置。這種較大相對位移的產生一方面會導致橋梁墩位的修復困難，還有很大可能致使主梁發生落梁。以往可以通過在固定支座上使用抗震銷來加固支座，但這樣會使支座受到的應力增加，更容易發生塑性破壞，對震后的修復工作造成巨大困難。

拉索減震支座的結構形式如圖3所示，結構的關鍵點在于抗剪螺栓的設定，在小震作用下，拉索減震支座可以作為正常的固定支座使用。在較為嚴重的地震作用下，抗剪螺栓發生剪切破壞。此時支座成為活動支座，支座在上下支板之間設置了拉索以限制橋梁的墩梁相對位移，防止發生落梁等情況。這樣的設計也方便在地震過后支座的快速修復。

5.2 拉索減震支座的性能目標

1)在無地震作用下，抗剪螺栓不斷，拉索不起作用。支座僅發揮承載作用。

2)在小震作用下，原則上抗剪螺栓不發生剪斷，要保證支座在震后的正常使用。

3)遇到烈度較高的地震作用時，抗剪螺栓的銷釘發生剪斷，此時支座成為活動支座，上下支座板之間會產生相對位移，其間的不銹鋼板和四氟板起到提供摩擦力的作用并耗散能量。拉索發生作用，限制梁墩之間的位移。

5.3 拉索減震支座的恢復力模式

1)盆式支座。

在正常狀態下，拉索減震支座功能與一般的盆式支座相同。其動力滯回曲線形狀類似理想彈塑性材料的應力—應變曲線，如圖4a)所示，Fs為臨界摩擦力，計算公式為:

Fs=μN。

式中：K1——支座的彈性剛度；μ——滑動摩擦系數；N——支座的豎向壓力。

2)拉索。

為保證長期使用，拉索不能發生屈服，因此應完全按照彈性材料來分析。其力—位移曲線如圖4b)所示。

3)拉索減震支座。

拉索在抗剪螺栓剪斷后發揮作用，其力—位移曲線可以如圖4c)所示疊加。其中，K1為支座作為盆式支座時的彈性剛度；K2為拉索拉伸剛度；u0為拉索減震支座的自由行程。

6 結語

本文介紹了幾種常見的用于斜拉橋的隔、減震裝置。隔震減震技術概念簡單，減震效果明顯，可以有效提高結構周期。文中所介紹的幾種裝置也是在依據斜拉橋的結構特點進行設計。

在地震作用下拉索橋結構的主要位移發生在設置隔、減震裝置的部分。同時，隔、減震裝置會提供結構阻尼力并限制其位移過大，在此基礎上耗散能量，震后還便于修復。為橋梁結構對抗地震災害提供更好的保障。

[1] 宋天齊,李延年.結構隔震方向研究[J].特種結構,2000,17(1):43-44.

[2] 范立礎,王志強.橋梁延性抗震設計[M].北京:人民交通出版社，2001．

[3] 宋 雷,賀立新.鉛芯橡膠支座在簡支梁橋減隔震中的應用[J].橋梁建設,2012,42(3):86-93.

[4] 范立礎,袁萬城.橋梁橡膠支座減、隔震性能研究[J].同濟大學學報,1989，17(4)：167-168.

Application of seismic isolation technology in cable stayed bridge

Zhang Yichen1Tang Rong2

According to the features of the cable-stayed bridge with the semi-floating structure, the paper points out the earthquake reduction design ideas with the viscous damper and earthquake isolation and reduction support, and illustrates the performance and application method of the support of the viscous damper, lead rubber bearing, and cable earthquake reduction support, so as to weaken the structural earthquake effect.

cable-stayed bridge, earthquake reduction design, viscous damper, leaden rubber bearing

(1.StateKeyLaboratoryforDisasterPrevention&MitigationofExplosion&Impact,PLAUniversityofScience&Technology,Nanjing210007,China; 2.PLAEngineeringAcademy,Xuzhou221004,China)

1009-6825(2017)09-0157-02

2017-01-14

張逸塵(1992- ),男，在讀碩士

U443.7

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