桥梁减震隔震技术及装置

雷晓鸣

长安大学公路学院，陕西西安 710064

我国是一个多发强震高发国家，其地理位置处于世界两大地震带欧亚地震带和环太平洋地震带之间。地震对公路尤其是桥梁造成的破坏，对抢险救灾交通要线影响甚大，桥梁的抗震设计日益受到工程师重视。而桥梁的减震、隔震技术是桥梁抗震设计的主要内容之一。随着对地震效应的逐步认识，桥梁的抗震设计走过了“以抗为主”向“抗放结合”的道路。桥梁减隔震装置逐渐有了标准，逐渐走向产品化。

1 桥梁减震、隔震技术发展

1.1 单纯以强度设计为主的一阶段设计

我国桥梁的抗震设计，传统的方法是以强度设计为主，通俗讲，地震力有多大，桥梁的部件就有多强，不发生被破坏。相对于桥梁的支座设计，采用“静力设计”的方法，用地震峰值加速度乘结构的自重来确定地震区桥梁支座所要承受的水平力，桥梁支座本体及锚螺栓的抗剪强度也依照静力法设计。按这种方法设计时，当地震的动峰值较大时，支座所承受的地震水平力很大，有时可以达到支座竖向力的30%～40%，此时仅依赖于增加支座的结构尺寸来抵抗地震力，无论对支座本身还是对桥墩的受力，都是不利的。

1.2 两水平设防和两阶段抗震设计方法

2008 年汶川地震后，我国修订了《公路桥梁抗震设计细则》，桥梁构件采用两阶段设计和两水平设防的方法。即第一阶段的抗震计算与设计时，采用传统的弹性力学方法，第二阶段的抗震设计，允许桥梁墩柱、结点等构件通过变形、位移，来耗散地震的能量，使力的能量转换为位移。通过对我国邢台、唐山、汶川的地震震灾分析与研究，逐步认识到了地震具有发生频率不同的特点，即多种地震频率的危害特点。采用分类设防和分阶段设计思想，使桥梁的抗震设计做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。小、中地震的发生，其频率相对高些，地震作用造成的结构构件的损伤而不影响其使用功能，结构仍处于弹性状态下，按极限法其强度极值作为其设计的原则。对于发生概率比较低的大地震，按一种种突发的特殊荷载来进行设计，如果仍要求结构构件仍处于弹性工作阶段，抵抗这种大的地震作用，在经济上合不来。在这种设计状态下，应当允许结构构件产生塑性变形、位移，甚至造成一定的有限度损伤，产生塑性较，但不至于造成桥梁的倒塌。这样设计满足了“大震不倒”的要求，与现有的建筑抗震设计思想一致。

1.3 减隔震支座是桥梁减隔震技术主要装置

支座是上下部连接构件，通过设置减震、隔震支座，可大大改善桥墩的地震受力时状态，更有效的抵抗地震力的作用，而不出现局部或整体的破坏，并且在地震过后仍具备一定的残余抗力。它是满足正常使用功能的前提下，通过延长周期、消耗地震能量、降低结构相应达到抗震目的。通过设计合理的减隔震装置，使桥梁的大部分耗能、塑性变形集中于这些装置，在E2 水平地震作用下，支座发生大的塑性变形和存在一定的残余位移，而结构的其他构件（墩柱、结点等）基本为弹性或有限塑性，从而保证桥梁主要构件（柱、梁）安全。

减小地震响应的设计思想采取的方法：

1）通过增加阻尼，减小支座位移；2）通过增加支座位移，延长结构基本周期，减小力的作用；3）结合以上两种情况，即增加阻尼和延长结构基本周期两项效应组合。

1.4 开展的减隔震支座产品标准研究情况

经过历次地震经验与技术人员研究和开发，为满足公路桥梁减隔震设计，研究人员开展了弹塑性钢隔震支座、摩擦摆式隔震支座、铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座研究工作，目前在公路、高速铁路以及市政桥梁上应用很多。交通部已经颁布的减隔震支座产品标准有：JT/T842-2012 公路桥梁高阻尼橡胶隔震支座、JT/T822-2011 公路桥梁铅芯橡胶隔震支座。研究人员开展的摩擦摆式隔震支座标准和弹塑性钢隔震支座的研究的部颁标准的草稿也已基本完成，处于报批阶段。总之支座的产品标准逐步走上规范化道路。

欧洲标准化委员会颁布于2009 年11 月颁布了EN5129-2009《减隔震装置》标准。该标准对减隔震支座和装置给出了其设计参数与分类。

2 减震隔震支座的种类及特征

2.1 刚性连接装置

刚性连接装置是减震隔震装置的一种形式，通常采用限制装置的一个或多个方向的位移，原则上他们不应该具有任何水平方向的变形性能。常用的刚性连接装置可以分为永久连接装置、熔断保护装置和临时（动态）连接装置几种。

2.2 弹塑性钢阻尼装置

弹塑性钢阻尼装置又称钢滞变阻尼器或软钢阻尼器。主要是利用金属在进入塑性状态后具备良好的滞回特性，并在塑性滞回变形过程中吸收大量能量的原理制造的一种减震装置，这种装置具有形状设计自由、易加工，维修费用低等优点，同时软钢阻尼装置还具有阻尼特性稳定、阻尼比受温度影响小、阻尼比高等优点。依照软钢阻尼器在耗能时的主要受力状态可以将其划分为：扭转型、剪切型和弯曲型等。

在金属的本构关系中表明，金属进入屈服阶段后，在塑形循环期间，应力随着变化范围扩大而变大，但屈服水平下降。并且在一定的应变范围内，反复和荷载作用下，荷载-位移曲线只有中等程度的变化，在反复荷载作用下，阻尼量也只有中等程度的减小，直到屈服量接近低循环疲劳寿命的终期。因此，阻尼器在设计时应该能限制地震的循环应变范围，还有确保有能力抵抗若干次地震和至少一次的极限地震。目前常用的弯曲型弹塑性钢阻尼器有E 型阻尼器、弧形钢阻尼器和短臂钢阻尼器等。

2.3 高阻尼橡胶支座

在北美、西欧和日本等国家都在研究和生产高阻尼橡胶支座，用于桥梁的减震、隔震，这类支座的阻尼比可以达到0.15左右。高阻尼橡胶支座由上下连接钢板、高阻尼橡胶板和加劲钢板组成，其结构形式和普通板式橡胶支座相同。支座和梁体及墩台是采用连接钢板连接。

高阻尼橡胶支座的弹性刚度随着变形大小变化的，变形大则刚度小，变形小刚度大，呈非线性状态。高的初期刚度可以取得良好的抵抗风荷载的制动功能。而地震来临时，由于变形大时刚度小，则又可以产生较好的隔震效果。在过大的变形发生时，橡胶的硬化现象会使其刚度进一步增加，可控制上部结构的过大的变位效果。

高阻尼橡胶支座具备以下特点：

1）作为隔震支座，具有承载能力、恢复力和阻尼三合一的功能；

2）滞回特性饱满，对于风荷载和地震作用产生的振动效果可以发挥隔震效果；

3）高阻尼橡胶支座本身即可发挥隔震的功能，无需其他辅助装置，减小了成本；

4）在大地震后，也不会产生残余形变，且支座特性变化小，无需更换；

5）其弹性性能和阻尼特性对温度依赖小，应用领域广泛；

6）采用天然橡胶后蠕变性能优化，更加利于隔震；

7）在支座表明涂抹三元乙丙橡胶，可保护橡胶不受环境影响，增强了其耐久性。

2.4 摩擦摆式隔震支座

摩擦摆式减震、隔震支座是1987 年由美国地震保护体系（EPS）公司研制而成，并首先应用于房屋建筑结构。其本质也是摩擦阻尼支座，但它依靠于两个曲面的摩擦来实现支座的正常功能。

摩擦摆式隔震支座的原理比较简单，支座的下支座板是个较大半径的凹球面，桥面支撑在上面，地震时，桥面与桥墩发生相对位移，支座中心部分的摆动球面板沿凹球面发生摆动，该体系的运动方程近似于一个质量相等的钟摆运动，钟摆长度为曲率半径。这样，利用一个简单的钟摆机理延长了下部结构的自振周期，以减小地震力的作用。在支座的运动中，重力的竖向升高，使得动能转化为势能，消耗了地震能量。且这种支座还具备一定的复位能力。目前钟摆式减震、隔震支座已在桥梁结构和房屋建筑中广泛应用。

2.5 地震防落梁装置

在地震地区，许多桥梁都是由于梁体下落而导致桥梁结构损坏，为防止上部结构的下落，应设置防落梁体系。该装置由防落梁装置、梁体支撑长度、位移限制构造和罗拉防止构造等构成。在采用钢支座时，一般应设置防落梁装置；在采用橡胶支座等可变形支座时，应设置防落梁装置和位移限制装置。

防落梁装置应该具有在能满足正常使用过程的情况也要满足地震时支座破坏，防止梁体掉落地面，能支撑梁体保持在适当高度上的功能。

3 结论

桥梁的抗震、隔震支座装置对于桥梁遭受地震作用时，有效保护桥梁正常使用的关键性部件，制造出性能更优越、抗震性能出色的支座，可以更有效的保证保证桥梁的安全运行和高速发展。

[1]JTG/TB02-01-2008 公路桥梁抗震设计细则[S].

[2]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京：中国铁道出版社，2012.