日本桥梁隔震的发展历程简介

党　纪

日本桥梁隔震的发展历程简介

党纪

党纪，工学博士，现于日本埼玉大学主要从事结构抗震、隔震与减震等教学与研究工作。1998年至2006年就读于东南大学土木学院，先后获得学士和硕士学位；2006年赴日留学，2010年获日本爱知工业大学博士学位，后任该校抗震试验中心博士后研究员，主要从事双方向地震动耦合作用下钢桥柱的抗震性能及其力学特性模型研究。2012年至2013年为京都大学研究员，从事隔震结构动力试验、橡胶支座性能鉴定等研究工作。2013年至今为埼玉大学助教，从事教学与研究，研究领域包括结构抗震、隔震减震以及利用智能手机的结构监测和无人机结构巡检等。

日本隔震设计由来已久，其间遭受了几次大地震的洗礼，经过数代学者的探索，发展至今。特别是1995年阪神大地震之后，日本桥梁隔减震技术得到了广泛的应用，积累了丰富经验，技术日趋成熟。尽管仍存在一些问题尚未解决，但其发展经历和教训有很多值得我国借鉴之处。本文旨在简述其发展历程，其间遇到的问题及其解决方法，介绍近年来的新问题和今后的展望，以供我国工程人员参考，也使得普通读者对隔减震桥的由来有所了解。

隔震概念的起源

地震动发自震源，在地球内部和地表传播，地表会相对于地心运动，建筑和桥梁等这些修建于地表的结构，则被地表带动运动。由于结构相对于地心有惯性，地表带动结构产生了惯性力。抵抗住惯性，使得结构随着地表运动，是为抗震。

图1　750年前的隔震京都三十三间堂

人们发现，一些结构如寺庙亭台等，下部与地表并不牢靠，在地震中不完全随地表移动，虽然震后偏离原来的地表位置，但上部结构并无大碍，依旧可以正常使用，故称此种结构为隔震。隔减震结构有两个任务，一个是使结构长周期化，以避开地震常见的1秒以下的特征周期，实现减少地震作用输入上部结构；另一个是采用阻尼器或隔震支座吸收结构动能，控制地震时结构的变形。

隔震的概念由来已久，古代日本在建设寺庙时就沿用中国传统方法，一层沙一层粘土交互铺垫下部基础，比如现存京都的三十三间堂，屹立不倒已750年（见图1）。

到了近代，早在1909年英国医师Calantarients就曾在美国申请关于隔震结构的专利（见图2）。1923年的关东地震，给日本东京造成了灾难性破坏，次年鬼头三郎和山下兴家在日本申请了关于隔震支座专利（见图3）。这时的隔震其实和后来在桥梁中得到广泛应用的滑动支座已经很接近了，基本原理就是小球滑轨支撑结构重量，地震时自由滑动。

图2　Calantarients的隔震概念

图3　鬼头三郎的隔震装置

之后关于建筑隔震减震的方法和理论得到了快速的发展，当时著名的刚柔论证中，真岛健三郎在《关于房屋抗震的结构选择》一文中指出当时主流的刚性结构耐久性和变形能力不足，认为柔结构更有利于抗震，提倡第一层用柔结构（Soft-first-story）。只不过当时既缺乏有效的强震记录，也无计算机来计算反应谱，更无大型振动台实际验证，刚柔论证不了了之，隔震结构也没有在那一时期得到真的应用。

图4　采用橡胶垫的Melbourne的铁道桥

图5　日本第一座隔震桥宫川桥

隔震概念的理论验证

第二次世界大战结束之后，随着计算机的出现，各种关于隔震结构的数值解析开始出现，相继从理论上和数值试验中，隔震结构的抗震性能逐步得到了验证。

人们逐渐发现，结构在地震中的反应不单纯跟结构的刚度相关，还和结构的重量相联系，两者之比标志结构特有的振动周期。而地面的运动也有自己的特征周期，一般靠近山地处，地基一般较为坚硬，场地的特征周期一般低于0.5秒，地下土层较厚，土质较为松软的地带，场地特征周期较长，通常在1秒附近。

随着结构的自振周期变得越长，结构在地震动作用下的振动加速度也就越小，但是振动中产生的位移却是逐渐变大。使用隔震的长周期结构可有效减小对地震的反应，但必须控制其变形即位移的增大。其中，控制地震反应位移的最好办法就是增大结构阻尼。

另一方面，随着橡胶产业的发展，人们逐渐发现工业橡胶和钢板结合可得到水平方向柔软，垂直方向高强的积层橡胶支座，也就是之后得到普遍应用的隔震橡胶支座。1889年澳大利亚墨尔本市的铁道桥就用橡胶垫作为支座来减少振动噪音（见图4）。

然而隔震的概念真正应用到桥梁中是在1980年以后。随着隔震建筑的应用逐渐推广逐渐开始得到应用，日本的国土交通省，一批顶尖的研究人员开展了由上至下研发隔减震桥梁的各种尝试。1986年，当时国土交通省下属的国土开发技术研究中心设立了专门研究这一技术在桥梁中应用的委员会，开始调研适用于公路桥梁的隔震装置。经过多年研究，终于在1991年发表了他们的研究成果，也就是第一个公路桥梁隔震设计指南草案。同年日本第一个隔震桥梁——宫川桥竣工（见图5），这也宣告了日本桥梁隔震的诞生。

图6　日本抗震设计用地震动反应谱图

图7　可移动伸缩装置

图8　隔震与减震（长周期化与增大耗能）的反应谱解释

桥梁隔震技术特点

隔震建筑主要通过延长结构固有周期（见图6），避开地震动的卓越周期，使得地震动无法传递到结构。因此，这一方面需要柔软的橡胶支座，但另一方面橡胶支座会产生较大的变形，通常基础层隔震建筑通过设置隔离空间和配置可活动软管来满足对这种大变形的需求。可是桥梁沿着桥轴方向很长，为了应对温度伸缩和徐变收缩，桥梁与桥梁之间本来就需要设置较大的可伸缩装置（见图7），这样能提供地震时可伸缩的空间就受到了局限。如果进一步加大伸缩缝，伸缩缝需要特殊定制，成本会变得难以接受。另外，车辆行驶会产生振动和噪音，伸缩缝过大，可能会导致车辆行驶速度受到限制等问题。

因此桥梁隔震相比较建筑结构，除了延长结构周期和避开场地特征周期以外，还需要大量的减震耗能装置（见图8）。增加结构耗能水平有两个好处：一是减小结构地震作用下的变形，二是减小地震作用在下部结构（桥墩和基础）时下部结构的反力。这样既可减小所需要的伸缩空间，又可减小下部结构的设计荷载。但是既然需要控制变形，隔震桥梁的固有周期就不可能太长，与隔震建筑相比较，隔震桥梁的固有周期较短，少有超过2秒的情况。同时设置过多过强的阻尼器反而会反锁结构变形，减少耗能效果造成反效果。因此无论是延长周期还是耗能减震，在隔震桥梁设计中都需要精确的计算分析，这也是桥梁隔震的设计的难点所在。

图9　抗震桥（上）水平力分散桥（中）和隔减震桥（下），（图片源自Oiles资料）

图10　阪神地震中发生的落桥

图11　抗震桥与隔震桥的区别

日本隔震桥梁的发展

早期的公路桥梁一般都采用钢制的橡胶支座或移动支座。在桥轴方向，考虑到桥梁上部结构因温差产生的收缩，一般橡胶支座布置在中央桥柱，其他桥柱和桥台就需要布置滑动支座，以满足上部结构收缩。因此这样的桥梁就需要中间桥柱很强，其他桥柱较弱，因为地震时只有中间桥柱抵抗水平地震力（见图9）。

在隔震桥梁出现之前就有很多桥梁使用橡胶支座，主要是把地震水平力分散到各个桥柱上，以增强桥梁整体抗震性能。虽然水平力分散桥不是严格意义上的隔震桥，既没有使用隔震设计指南设计，且其抗震能力的提高主要是靠水平力分散，但其客观上起到了一定延长周期的作用，也增加了结构变形能力。

在1995年兵库县南部地震（阪神淡路地震）中，传统式样的抗震桥梁遭受了惨重打击，钢制支座损害严重，甚至导致落桥（见图10）。而使用了橡胶支座的桥梁却基本没有严重的损伤，橡胶支座竟无一破坏。从此，日本兴起建设隔减震桥的潮流，1995年之后建设的新桥梁大部分是隔减震桥，对旧桥进行加固改造时，也经常将桥梁支座更换为隔震支座，采用隔减震的方法增加桥梁的抗震性能（见图11）。

桥梁隔震支座

橡胶隔震支座从原来单一的纯天然橡胶支座，发展出了加铅芯的LRB和人工合成高分子粘弹性材料的高阻尼橡胶（HDR），甚至高阻尼橡胶中加入铅芯的弹簧约束型铅芯橡胶支座SPR-S（见图13）。

铅芯橡胶支座LRB利用橡胶的弹性变形和铅的塑性耗能分别起到延长的作用。由于铅芯所占比例可以调节，所以在设计上有一定的灵活性。而且LRB的特性稳定，大变形情况下的超弹性硬化现象比较小，但由于铅芯必须被有效约束，不然就会变成只有橡胶在变形，因此可加入的铅芯是有限度的，其等价阻尼比为15%～20%。

然而由于LRB需要大量使用铅，其未来对环境的影响还不明确，所以后来研发了对环境负担比较小的高阻尼橡胶HDR。与RB和LRB不同，HDR使用的是人工合成高分子材料，又称之为粘弹性材料，除了用于HDR隔震支座还可用于HDR阻尼器，也有人称之为粘弹性阻尼器或橡胶阻尼器等。有些HDR（HDR-S等）的等价阻尼比甚至可以达到25%左右。结合了LRB和HDR两者优点的SPR-S，其耗能能力更是有飞跃性的提升。

图12　隔震桥的常见设置方式（图片源自Oiles主页）

图13　LRB（★Oiles），HDR（★川金）与SPR-S（★川金）

今后关于桥梁隔减震的课题

虽然在阪神地震等大地震中，隔震支座无一破坏，然而在2011年东日本大地震和2016年熊本地震的时候，均发生了橡胶支座破坏的现象。其中，不排除设计不当和橡胶支座性能不均一等因素，但其中主要原因被认为是与橡胶支座的老化有关。

最近在一些桥梁中发现LRB的铅芯在经历近20年的长期使用之后，逐渐从橡胶的包裹中溢出，造成支座表面橡胶隆起，甚至铅芯露出。而一些使用了近30年的旧型号的橡胶支座（Ring Shoe），表面出现橡胶开裂，其变形性能也大幅下降。尽管增加了各种各样的防止橡胶老化硬化的保护层薄膜等，一些仅使用10年的HDR的表面还是出现了裂缝。

虽然隔震支座的老化原因还有待进一步研究，但总体上与其室外使用环境有关，如长期受到雨水冲刷、紫外线辐射等，还与在桥端经历反复伸缩及转动变形等因素有关。因此，隔震支座的后期维护极为重要，一是要对隔震支座进行定期检查维护；二是在设计制作时就要考虑在出现老化或在地震中受损后可以及时更换。

另外，如何考虑双方向地震动耦合，如何简化设计，同时考虑橡胶在大变形时的应力硬化，高阻尼橡胶在低温下展现出较强的速度依存性和初次加载强化（Mullins效应）问题，这些难题还都有待解答。另外需要注意的是橡胶制品多少都有一些不确定性，不像金属及混凝土这些材料那么稳定可靠，因此在设计阶段就应该适当考虑到这些不确定性，留有安全余地，采用较为稳妥的设计。