减隔震技术的发展及研究现状

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date减隔震技术的发展及研究现状减隔震技术的发展及研究现状减隔震技术的发展及研究现状减隔震技术的发展及研究现状 摘要：公路作为生命线工程，在震后救灾中起着巨大的作用，而桥梁在公路震后保持畅通起着关键性的作用，因此，对高烈度地震区域的桥梁结构进行有效地抗震保护显得非常迫切。从国外的桥梁减隔震技术应用情况来看，桥梁减隔震设计中最常采用粘滞流体阻尼器和铅芯橡胶隔震支座，这种方法可以有效地降低高烈度地震区域的桥梁结构的地震反应。 关键词：减隔震技术，隔震支座，粘滞流体阻尼器 中图分类号： TU352 文献标识码： A 1 减隔震技术研究现状 减隔震技术在桥梁结构中应用，可显著提高结构在遭遇地震时的安全性，减轻结构破坏。在桥梁中采用隔震支座和粘滞流体阻尼器可以延长结构自振周期和耗散地震能量，从而减轻地震对下部结构的作用。传统的结构抗震设计是依靠增加结构自身的强度、变形能力来抗震的，尽管通过适当选择塑性铰位置和细部构造设计可以防止结构的倒塌，但结构构件的损伤是不可避免的。与延性抗震设计相比，减隔震设计可以减小桥墩所受内力，提高桥梁结构的安全性，避免桥墩破坏后修复困难。 延长结构的自振周期可以有效地减小结构的地震加速度反应，从而减小结构所受到的地震荷载。但是，随着结构自振周期的延长，结构位移也同时增加，为了减小由于结构自振周期延长而增加的结构位移，可以采用粘滞流体阻尼器，增加结构阻尼的方法，加大结构的阻尼，结构的位移能得到明显的抑制，因此，减隔震的机理是：（a）增加结构的柔性以延长结构的自振周期，达到减小由于地震所产生的地震荷载；（b）增加结构的阻尼或能量耗散以减小由于结构自振周期延长而增加的结构位移。（c）减隔震装置应具有足够的刚度和强度，以支承正常使用极限状态下的水平力(如风荷载、制动力等)。 美国在1971年San Fernando地震后，美国学者对地震动对结构的效应进行了大量的研究，形成了反应谱法、时程分析、随机振动分析等一系列的地震响应计算设计方法，并对原有桥梁进行抗震性能的评估，进行了加固。与此同时，美国曾多次修订其抗震规范，修改了加州抗震规范，增加了减隔震设计部分，先后在1999年、2001年出版了 Caltrans Seismic design Criteria，形成了更加完善的桥梁抗震体系。同时在对Queensborough Bridge 等原有桥梁进行了大量的隔震加固。 日本是一个多地震国家，国土面积大部分处于高烈度地震区。目前日本在经历新泻及阪神地震后，根据两次地震的震害，修订了地震设计规范，提出了直下型地震的概念，同时对连续体系和简支体系桥梁采用了大量的减隔震技术，并将桥梁减隔震设计提高到法律的层次；其设计的理念也发生了转变，采用了大量的铅芯隔震橡胶支座（LRB）和粘滞流体阻尼器对桥梁进行了减隔震设计。 图1 桥梁的隔震设计 从国外采用减隔震技术建造的桥梁的震害来看，在近几年的几次大地震中抗震性能表现很好。如在日本1995年阪神大地震中，采用铅芯橡胶支座隔震的6座桥梁抗震性能表现极佳。土耳其Bolu高架桥在一年内尽管遭受了两次大地震，尤其是第二次大地震远高于该桥的设计地震水平，但该桥地震中没有发生落梁，震后维修也仅需更换支座，并对相关的局部构造措施进行适当的加固和修改。隔震桥梁在地震中的良好表现促进了这类桥梁在实际工程中的应用。但由于一些设计人员没有相关的设计经验，没有注意到构造措施的重要性，设计中对此考虑不足，导致一些采用隔震技术建造的桥梁在震害中表现不佳，没有充分发挥其抗震性能。这也促使研究人员和设计人员更加重视隔震技术的全面研究。 在我国，自从唐山大地震后，也积极进行桥梁抗震规范的修订，在89年发布了公路工程桥梁抗震规范，至今还是作为公路设计的强制性规范。但是89抗震规范相对于日本等抗震设计发达的国家要滞后，适用范围及抗震设防理论已经不适应目前公路桥梁的抗震设计。鉴于目前的情形，国内学者及科研单位进行了大量的理论研究，同时规范的修订也在进行，完成了城市桥梁抗震设计规范的初稿，招商局重庆科研设计院有限公司完成了公路桥梁抗震设计细则才刚刚实施。 2 减隔震装置的应用及施工技术研究 桥梁的隔震设计中主要依靠隔震装置来延长结构周期和阻尼耗散地震能量从而保护结构的安全。目前国内主要使用的隔震装置的型式主要有铅芯橡胶隔震支座和摩擦摆式隔震支座，而耗能装置主要是粘滞流体阻尼器。 摩擦摆式隔震支座主要是依靠凹面与凸面组合而形成的支座，由于采用全钢结构，因而承受的竖向荷载较大，同时在地震作用下接触面发生滑动而消耗地震能量，但是位移反应较大。通过计算分析发现，采用摩擦摆式隔震支座虽能有效减小结构的地震响应，但由于桥墩高度较高,地震水平反应较大,因此摩擦摆式支座的水平位移也较大，E2地震作用下约为90cm，导致所需支座尺寸非常大，又因其为全钢结构，因此价格昂贵；此外，由于该类支座主要依靠凹面与凸面光滑度来进行工作，如果灰尘、盐分等进入支座，则会导致支座锈蚀，逐渐演变为固定支座，并完全丧失其隔震能力。从国外的案例来看，由于日本阪神地震前大量使用了该种类型支座用于保护桥梁的安全，但是在地震中这些支座并未发挥其性能，造成了大量的桥梁破坏，经济损失巨大。下表是阪神高速高架桥中破坏的摩擦摆式隔震支座和铅芯橡胶隔震支座的数量对比。 表1 阪神高速高架桥中支座破坏数量表 支座形式 破坏程度 合计 损坏 严重破坏 中度破坏 可修 摩擦摆式隔震支座等 986 603 681 2503 4773 铅芯橡胶隔震支座 0 6 19 119 144 从桥梁隔震技术走在世界最前沿的日本来看，自1995年阪神大地震以后，已发现摩擦摆式隔震支座在地震中实际的效果并不好，因此摒弃了使用摩擦摆式隔震支座，而大量使用铅芯橡胶隔震支座。实际上现在日本70的桥梁采用铅芯橡胶支座进行隔震设计。因此，应该充分重视日本的经验，在桥梁设计中应审慎选择桥梁隔震支座类型，通过精确地理论计算和实验分析，力求在合理的经济代价下尽可能发挥隔震支座的隔震性能，确保桥梁的安全。 铅芯橡胶隔震支座主要依靠橡胶的剪切变形来阻止上部结构的惯性力传递到下部结构，分为建筑用铅芯橡胶隔震支座和桥梁用铅芯橡胶隔震支座两种，前者主要承受较大的竖向荷载，竖向刚度很大，不能产生什么转角，支座的水平刚度很小，而后者则要求支座能产生一定的转角，以适应桥梁的转角变形，水平刚度要求较高，因此对支座的金属与橡胶粘着能力要求也非常高。桥梁用橡胶隔震支座中，目前国外应用最为广泛的就是铅芯橡胶支座，如日本将该类支座应用于日本宫川大桥等，阪神地震后，更是大量采用隔震桥梁，其中大部分隔震装置采用加铅芯橡胶支座，在一些特殊情况下也使用其他类型的隔震装置。在美国，已有100多座桥采用了隔震技术，其中包括对既有桥的加固，大部分隔震装置均为铅芯橡胶隔震支座，也有一些采用高阻尼橡胶支座等隔震装置。在美国和日本，部分隔震桥梁也经历了地震的检验，显示了隔震支座优良的减震效果。同时也形成了一系列的桥梁隔震规范，如日本在经历新泻及阪神地震后，修订了地震设计规范，针对桥梁制定了隔震设计指南，并且主要针对橡胶类隔震装置制定了详细的产品规范。美国也在桥梁抗震规范中增加了桥梁隔震规范，并形成了一系列隔震装置产品规范。 国内近年来也陆续开始在一些高烈度地震区的桥梁中使用铅芯橡胶隔震支座，但是尚无具体的设计规程或者设计指南引导桥梁隔震设计。对于使用的桥梁隔震铅芯橡胶支座也无行业标准去检验其性能，导致大量的建筑用隔震橡胶支座被应用到了桥梁上，这是极度不安全的也是极其不负责任的。桥梁隔震技术在国外的使用已经经历了一段时期，我国隔震设计起步较晚，虽然有部分桥梁使用了铅芯隔震橡胶支座，但是目前仅有西安咸阳国际机场专用高速公路渭河特大桥采用的铅芯橡胶隔震支座经历了汶川大地震的检验，采用了该铅芯橡胶隔震支座的桥梁在地震中安然无恙，而相邻的采用盆式支座与板式橡胶支座的桥梁却发生了较大的挪位与破坏。 铅芯橡胶隔震支座的力学性能是保证隔震设计能充分发挥效果的基础，因此需要慎重的选择铅芯橡胶隔震支座的产家。目前国内仅有西安咸阳国际机场专用高速公路渭河特大桥采用的铅芯橡胶隔震支座经历了地震考验。 粘滞流体阻尼器一般由缸体、活塞和流体组成，活塞在缸体内可做往复运动，活塞上有适量小孔，缸内装有流体阻尼材料。它具有耗能能力大，易于安装维护，受激励频率和环境温度影响较小等优点，粘滞阻尼器很早就开始应用与航天、军事、船舶、设备和管网的减震中，后来应用到土木工程中，取得了很好的减震效果。目前，美国在许多建筑和桥梁上采用粘滞阻尼器;我国在北京火车站和北京饭店的抗震加固中均采用了粘滞阻尼器;我国宿迁市府苑小区综合楼、宿迁市文体馆采用粘滞阻尼器与橡胶隔震支座一起作为减震元件。桥梁结构由于跨度大，温度变化、收缩徐变的影响也大，因此桥梁阻尼器对这些因素引起的慢速变形需要保证梁体自由变形不产生附加内力，对地震产生的梁的快速变形，阻尼器能迅速耗能，减小梁的加速度和位移。 国内对流体阻尼器的研究起步较晚，可见到的文献大多仅仅是对国外研究成果的简单介绍，系统的研究目前尚处于起步阶段。与国外类似的是，国内也是工程应用早于（或者同步于）科学研究。我国开始这方面的的首个工程是在1999年，中国建筑科学研究院利用流体阻尼器对北京饭店进行了加固。同年，32个流体阻尼器应用于北京火车站加固工程。在科学研究方面，自上世纪九十年代初，国内很多大学及科研单位的学者开始对流体阻尼器进行了初步的探索。 3 结语 综上所述，就目前收集的资料来看，国外如美国、日本、意大利和新西兰等国已有数量众多的新建和既有桥梁加固采用了减隔震技术，而我国采用减隔震技术建造的公路桥梁尚少，特别是对连续体系桥梁的隔震研究仍处于研究应用阶段的初期，实际工程应用实例及相关技术资料积累不足。目前国内虽然对减隔震装置的力学性能进行了部分研究，但是对于减隔震装置在其使用过程中的有效性尚未进行任何研究，而减隔震装置的有效性是保证桥梁减震效果的基础。因此，今后针对此类技术的研究将会有更加深入的探索分析。 参考文献： 范立础，卓卫东. 桥梁延性抗震设计（第一版）. 北京: 人民交通出版社, 2001. 刘建新, 赵国辉. “512”汶川地震典型桥梁震害分析. 建筑科学与工程学报, 2009, 26(2). 中国建筑设计研究院, 亚太建设科技信息研究院. 国内外地震灾害和灾后重建经验与对策研究. 2009.3 徐雪源. 地面运动强度参数对RC桥梁地震需求的影响. 世界地震工程, 2008, 24(4). 冯清海, 袁万城. 基于IDA-MC的桥梁地震风险概率评估方法. 长安大学学报（自然科学版）, 2010, 30(3).-最新【精品】范文 -