减隔震技术在我国桥梁中的应用

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172．减隔震技术在我国桥梁中的应用王志强(同济大学桥梁工程系)摘要：近年来的几次大地震所造成的震害和巨大的经济损失已引起了桥梁结构设计人员、科研人员和社会相关业主的重视。伴随着近几年我国桥梁事业的飞速发展。能够提高和改善桥梁结构抗震性能的减隔震技术在我国也得到了快速应用。本文对近几年我国采用减隔震技术的桥梁进行了总结。主要对大跨度桥梁中所用粘滞阻尼器、梁桥中采用的钟摆式摩擦隔震支座、铅芯橡胶隔震支座的目的和这些减隔震装置的特性进行了分析比较。指出其中在应用方面存在的一些不足。并提出了相应的建议。关键词：桥梁抗震粘滞阻尼器铅芯橡胶隔震支座1概述近几年几次大的地震发生，以及由此造成的巨大经济损失和人员伤亡，引起了社会以及工程设计人员、科研人员的注意和重视[1]。桥梁工程作为生命线工程中的一部分，在地震中的损坏所造成的直接经济损失、随后中断所引起的间接经济损失在历次震害中都是十分巨大的。因此，如何提高桥梁结构在地震作用下的抗震性能成为摆在科研人员、工程设计人员面前的一个难题。当前，在汲取历次震害经验、教训的基础上，伴随着对地震产生的机理、地震动特性以及地震作用下各类桥梁结构动力响应特性，易损性部位、损伤机理、构件节点抗震性能的研究和认识的加深，促使桥梁结构相关抗震规范进行改进，同时也促进了对新的抗震技术的研究，并加速了新技术在实际桥梁工程中的应用。这可从我国近几年建成的和在建的一些桥梁工程中充分体现出来。这些因素促使一些规范进行了重新修订。目前《公路工程抗震设计规范》、《铁路】2】9 工程抗震设计规范》均已初步修订完成，在试行阶段，新的城市桥梁抗震设计规范也正在编制过程中。近年来我国正处于基础设施的大发展中，大量桥梁结构在建设或规划中。在一些强震区修建桥梁结构使工程人员直接面临结构抗震的挑战。这进一步促进我国科研人员、桥梁工程设计人员对新的抗震设计理论、新型抗震、减震技术的研究和应用。本文对国内近年来在一些实际桥梁结构中采用的减隔震技术(如粘滞阻尼器、铅芯橡胶支座、钟摆式滑动摩擦支座等)进行初步的汇总，阐述这些减隔震技术应用的特点，以及目前存在的不足，并提出一些改进的建议。2减隔震装置的类型传统桥梁结构抗震设计概念及机理主要是依靠桥梁结构、构件自身具有的强度、延性变形、耗能能力来抗震的。这通常容许很大的地震力和能量从地面传递给结构，而抗震设计主要考虑的问题是如何为结构提供抵抗这种地震力的能力。尽管通过适当选择容许出现延性损伤的位置和仔细设计关键部位构件的细部构造可以确保结构的整体性，避免桥梁发生倒塌，但桥梁结构构件的损伤是不可避免的。近几十年来，为了提高结构的抗震性能，国内外大量研究人员提出了许多新的抗震技术，主要包括减隔震技术、被动控制技术、主动控制技术及混合控制技术等口]。减隔震技术是指通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，大大减少传递到上部结构的地震力和能量。在满足正常使用要求的情况下，这种分离或解耦是通过增加系统的柔性和提供适当的阻尼来实现的。从性质上说，减隔震方法也是结构控制方法中的一种，属于被动控制技术。通过这些新技术，尤其是减隔震技术在实际桥梁结构中的应用，一方面提高了结构的抗震性能，另一方面，通常可以降低整个工程的造价口]。在一些特殊情况下，如跨越强震区域，采用这些新技术有时是解决实际桥梁结构抗震问题的唯一有效途径。从近几年国内采用减隔震技术的种类和目的来分，大致集中在以下几类：一类是利用耗能装置来消耗地震能量，达到改善桥梁结构局部关键部位的抗震性能，如粘滞阻尼器；另一类是利用延长结构周期，同时消耗地震能量的隔震装置来提高结构的抗震性能，如摆式滑动摩擦支座、铅芯橡胶隔震支座等。下面就这些技术在实际桥梁中的应用情况和特点进行简要的分析比较。2．1粘滞阻尼器的应用粘滞阻尼器的作用机理是利用活塞前后压力差强迫粘滞流体流过节流孔，从而产生阻尼力和耗能，粘滞阻尼器的力学特性可由下式表述：F—CoI△I。sgn(A)(1)式中：△——速度；a——阻尼指数，其值在0．1～2．0；sgn——符号函数。最简单的形式是线性阻尼器，指数为1．0。粘滞阻尼器同其他减隔震装置相比，特点是：①弹塑性阻尼装置、摩擦阻尼装置的屈服力】220 或摩擦力是常值，且在墩最大变形时，这些值往往也同时达到。而粘滞阻尼器装置当阻尼器参数∈一1时，因其反力与速度成比例，因此在桥墩达到最大变形时，粘滞阻尼器的阻尼力反而最小，接近予零；在桥墩变形速度最大时，粘滞阻尼器阻尼力达到最大，而此时桥墩变形最小，其内力也最小，因此，粘滞阻尼器并不显著增加桥墩的受力。②在温度产生的变形作用下，弹塑性阻尼装置、摩擦阻尼装置要求必须在克服弹塑性阻尼装置的屈服力或摩擦力后才允许自由变形；而粘滞阻尼器在蠕变变形下，产生抗力接近于零，这使得该装置的引入不会影响到桥梁结构的正常使用功能。由于粘滞阻尼器产生的阻尼力是与速度和温度有关的，在应用这类阻尼器时应给予注意。此外，油压的调整、漏油、灰尘的侵入等也需采取相应的措施，并进行必要的维护。由于粘滞阻尼器具有方向性，其安装设置需进行考虑，而且要求制作加工精密，体积较大时制作较为困难。从目前收集的资料看，国内在桥梁结构中首先采用粘滞阻尼器的是重庆鹅公岩大桥(悬索桥)，设在纵向加劲梁与桥台之间的伸缩缝处。随后有卢浦大桥[4]、苏通大桥、东海大桥、颗珠山桥等，见表1所列，图1为在颗珠山大桥设置粘滞阻尼器的照片。在这些大桥中应用粘滞阻尼器，大多数设置在桥梁结构相对变形较大的部位，如塔梁之间，加劲梁与边墩、辅助墩之间等。这些桥梁结构为了降低主塔等构件的地震响应，往往纵桥向采用漂浮体系，这导致塔、加劲梁之间，加劲梁与边墩之间在地震作用下的相对位移很大，为了控制相对变形，避免在相邻构件发生有害碰撞，就在这些部位设置粘滞阻尼器来改善其抗震性能。同时，设置的粘滞阻尼器并不影响桥梁结构的正常使用性能。图1颗珠山桥使用粘滞阻尼器的桥梁表1桥梁名称桥型减隔震装置类型备注重庆鹅公岩桥211m+600m+2Iim悬索桥粘滞阻尼器上海卢浦大桥主跨550m钢拱桥粘滞阻尼器控制纵桥向伸缩处相对位移东海大桥主跨420m斜拉桥粘滞阻尼器控制纵桥向塔梁之间相对位移颗珠山桥主跨330m斜拉桥粘滞阻尼器苏通大桥主跨1088m斜拉桥粘滞阻尼器南宁大桥主跨305m钢拱桥粘滞阻尼器控制纵桥向伸缩处相对位移注：这类粘滞阻尼器在国内其他桥梁上也有应用，此处收集的资料尚不完整。2．2摆式滑动摩擦支座的应用这类支座的减隔震原理主要是将滑动摩擦支座和钟摆的概念相结合构成一种新的隔震装置，其滑动面是曲面，通过在曲面上滑动摩擦来消耗地震能量，结构自重提供所需要的自复位能力，利用一个简单的钟摆机理延长结构的自振周期。这种支座的平面尺寸受到地震位移大小和球面曲率半径的控制，支座的平面尺寸通常较大。目前这种产品已在苏通大桥引桥、上海长江大桥引桥上使用，见表2所列。根据隔震方向的不同又可分为球面、柱面两类，前者用于水平双向隔震，后者用于水平单向隔震。122】 使用摆式滑动摩擦支座的桥梁表2桥梁名称桥型减隔震装置类型建成日期备注苏通大桥部分引桥连续梁桥球面、柱面在建柱面用于横桥向、球面用于双向上海长江大桥引桥连续梁桥球面、柱面在建注：该类支座在国内其他桥梁上也有应用，此处收集的资料尚不完整。2．3铅芯橡胶支座的应用铅芯橡胶隔震支座的构造特点如图2和图3所示，就是在分层橡胶支座中插入一个或若干个铅芯，从而形成一个紧凑的隔震装置。由于铅芯具有良好的力学特性，能与分层橡胶支座较好地结合，所以成为一种比较合适的减隔震材料。此外，它的屈服剪应力较低，约为10MPa，初始剪切刚度较高，剪切模量G约为130MPa，性能为理想弹塑性，而且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能，也易于得到纯度较高的铅(99．99％)，使其力学性能比较可靠。这些特性使铅芯橡胶支座具备提供地震下所需的耗能和正常使用荷载下所必须的屈服强度与图2铅芯橡胶支座构造示意图刚度，因而满足良好隔震系统的要求，是目前国内外桥梁隔震设计中应用最广的一种隔震装置。1222-4卅／{一翻憩|1)／。彳睡●纱y／厂厕谬矿．／。㈨|．渺，t、嚷多少纱图3铅芯橡胶支座滞回特性 铅芯橡胶隔震支座在国内建筑结构中应用较早，这种支座的生产厂家也比较多，但在桥梁结构中的应用一直很缓慢。从收集的资料看，最早应用铅芯橡胶支座的是南疆线的几座铁路桥，由于南疆线跨越强震区，应用这种支座可提高桥梁结构的抗震性能。公路桥梁中的应用有最近建成的澳魅大桥等。随着一些桥梁工程必须跨越强震区和高抗震性能要求的地区，铅芯橡胶支座在桥梁中应用的数量正在快速增多。目前在建、拟建的采用该支座的桥梁结构见表3所列。使用铅芯橡胶支座的桥梁表3桥梁名称桥型减隔震装置类型建成日期备注南疆铁路桥铁路桥梁铅芯橡胶支座建成澳挞大桥连续梁桥铅芯橡胶隔震支座建成拉萨柳梧桥连续梁桥铅芯橡胶隔震支座在建亚安到泸沽的国道线高速公路桥面连续简支梁桥铅芯橡胶支座等拟建注；该类支座在国内其他桥梁上也有应用，此处收集的资料尚不完整。3存在不足减隔震技术的应用就是通过隔震装置、耗能部件以及同桥梁结构其他构件的共同作用来抵抗预期的设计地震，使其满足预期的性能目标。在明确隔震桥梁结构在不同水准地震作用下，结构预期的性能和各构件在抗震中所起作用的基础上，设计人员应根据结构预期的性能目标，“告诉”结构在不同水准地震作用下该怎么做，即抵抗地震力时结构逐层弱化的传力路径、耗能机构，使惯性力顺利地传递到下部结构和基础，且在整个变化过程中结构的性能是延性的。要达到这个目的，更多的是依赖于设计人员的经验和对结构在地震作用下的性能的深刻理解，通过合理的设计、构造细节、构造措施来实现，而不是通过复杂的分析方法。因此，在应用减隔震技术时，为了确保在地震作用下这些减震、隔震装置能有效发挥主导作用，其他构件抗震为辅，必须对整个桥梁结构体系的抗震传力路径有清晰的理解，其次是必须采用有效的细构造措施来给予保证。这也就是提醒设计人员等对确保减隔震装置正常发挥作用的一些构造措施、细节给予足够的重视。当前我国还没有完善的桥梁减隔震设计规范，也缺乏足够的经验积累，尤其是在构造细节、构造措施方面，而这些方面如果设计不合理，可能导致最终的减隔震装置无效，甚至是有害的。大跨桥梁结构是百年大计，而粘滞阻尼器产品无论国内、国外在桥梁中的应用时间均较短，并且在实际应用中一些厂家的产品已经发生漏油等损坏事例口]。国内目前尚没有这方面相应的产品标准、检测标准和设计规范可供使用。这一方面阻碍了这种技术的广泛应用，另一方面，也易使一些不合格产品进入实际桥梁结构中，造成潜在的隐患，一旦地震发生，可能会造成严重的后果。这就要求在粘滞阻尼器使用中，应该强调进行产品的原型检测，以确保产品关键参数满足设计的要求；其次，应重视对产品的疲劳性能、耐久性能等进行检测，并对实桥上的阻尼器进行定期的检测和保养，发现问题立即进行维修或更换。因此，制定这方面相应的规范和产品标准、检测标准已刻不容缓。在铅芯橡胶支座应用方面，目前的一些设计指标或参数往往参考建筑结构的相关规范，但在实际桥梁工程应用中，同建筑结构相比，桥梁结构中的铅芯橡胶支座往往处在十分恶劣的自】223 然环境中，如高温、低温、大的温差变化、雨水侵蚀，以及长期的较大的反复蠕变变形、冲击振动等，因此，相应的设计指标，尤其是与疲劳、耐久性相关的指标均应提高。为了确保隔震支座在地震作用下充分发挥其作用，隔震支座可自由变形，必须确保足够的位移间隙。因此在伸缩缝间隙的设置、防落梁措施等构造措施的设置均应对此给予足够的重视。4结论伴随我国近年来大规模的桥梁建设，跨越强震区桥梁的建造以及对桥梁结构抗震性能的重视，国内在桥梁减隔震技术的研究和应用方面正在加速，这可从近年来的工程应用中看出。但缺乏相应的规范和产品性能标准、检测标准正成为这些技术推广应用的主要障碍。因此制定相应的规范、标准刻不容缓。同时，桥梁减隔震技术的成功应用不仅取决于细致的计算分析，更应从总体上把握桥梁结构在预期地震作用下的动力响应特性，并注重构件的细部设计和采取合理的构造措施，以确保能够在地震作用下实现预期的抗震性能目标。参考文献[1]范立础．桥梁抗震[M]．上海：同济大学出版社，1997：1—34[2]SkinnerRI，RobinsonWH，McverryGH．工程隔震概论[M]．谢礼利，等，译．北京：地震出版社，1996：61—128[33PriestleyMJN，SeibleF，CalviGM．Seismicdesignandretrofitofbridges[M]．JohnWiley&Sons，NewYork。1996[4]王志强，胡世德，周红卫，章曾焕．卢浦大桥减、隔震装置的研究[C]／／第十五届全国桥粱学术会议论文集．上海：同济大学出版社，2002：372—379L5]ShengLihong，DonLee．Performanceofviscousdamperanditsacceptancecriteria[C]／／ProceedingsoftheSixthU．S．ConferenceandWorkshoponLifelineEarthquakeEn—gineering．TechnicalCouncilonLifelineEarthquakeEngineering，LongBeach，CA，August10—13，20031224 减隔震技术在我国桥梁中的应用作者：王志强作者单位：同济大学桥梁工程系本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6123641.aspx