铅芯橡胶支座在桥梁减隔震中应用综述

2018-06-01蔡报坤郭文妹

四川水泥 2018年5期

蔡报坤朱刚郭文妹

(1广州大学土木工程学院，广东广州 510006；2广州大学基建处，广东广州 510006 )

0 引言

桥梁的传统抗震设计方法是通过提高桥梁的延性，利用结构在大震作用下产生塑性铰来消耗地震所产生的能量，而通过对塑性率的控制从而达到大震不倒的目的。而在小震以及中震情况下，桥梁抗震设计则是根据《抗震规范》所设置地“三水准”要求。与传统的抗震设计通过提高材料强度等手段来提高桥梁抗震能力不同，减隔震措施是通过增加结构柔性和能量耗散能力来减少作用于结构上的地震作用。铅芯橡胶支座因为具有良好的耗能能力、构造简单以及良好的抗疲劳能力等特点成为桥梁最为行之有效的减隔震措施，成为桥梁减隔震方式的研究重点。

1 铅芯橡胶支座构造和减隔震原理

1.1 铅芯橡胶支座的构造

铅芯橡胶支座是在橡胶支座的中部或者中心周围竖直地压入纯度为 99.9%的铅芯就形成了铅芯橡胶支座。其主要组成部分包括铅芯、底板、顶板、叠层橡胶以及钢板等

1.2 铅芯橡胶支座减隔震原理

在非地震情况下，铅芯橡胶支座能够在正常使用状态下承受来自桥梁上部结构的自重以及温度荷载和混凝土的收缩徐变等作用，并且能够对桥梁上部车辆引起的振动起到减隔震效果。铅芯橡胶支座滞回曲线（如图1）饱满，其吸收耗散振动能量的功能是通过铅芯的剪切变形来实现的，并且由于铅芯的存在进而增强了橡胶支座的阻尼，因而其具有较强的耗能能力。与此同时，铅芯橡胶支座还能够有效延长结构的自振周期，从而减小结构由于地震作用下引起的内力响应。

图1 铅芯橡胶支座滞回曲线

2 国内外采用铅芯橡胶支座桥梁应用与研究现状

2.1 国外

铅芯橡胶支座最早由新西兰工程师罗宾逊提出。新西兰是世界上最早将铅芯橡胶支座应用于桥梁工程的。新西兰第一座采用铅芯橡胶支座的桥梁是建于1973年的位于上哈特公路上的moonshine大桥，桥长168米，其上部为预应力曲线桥。[1]

美国第一座应用铅芯橡胶支座在桥梁上是在1984年对受地震破坏后的sierra point 大桥上。该桥建于1956年，200米长，40米宽，采用铅芯橡胶支座代替原来的刚性球铰支座进行隔震，采用铅芯橡胶支座进行隔震之后，使桥梁的柔性增加，延长桥梁的固有周期，使桥墩在地震作用时承受的地震力较少了 1/6，起到了良好的减隔震效果。

日本是世界上地震频率最高的几个国家之一。日本第一次将铅芯橡胶支座应用到桥梁是应用于建于1990年的宫川大桥[2]。该桥在合理布置铅芯橡胶支座进行减隔震之后，将地震作用于该桥的惯性力合理分配到该桥的桥墩和桥台上。并且通过铅芯橡胶支座的设置使得该桥的自振周期由 0.3秒左右增加到 0.8～1.2秒左右。

2.2 国内

石家庄的石津渠中桥是我国第一座采用铅芯橡胶支座的公路桥梁，该桥抗震设防烈度等级为7度，全长共53米，标准孔径16米，共有三个孔洞，一共设置了84个铅芯橡胶支座。

而南疆铁路则是我国第一个采用铅芯橡胶支座进行减隔震的铁路桥梁，该桥全长288米，每个孔径为32米。在2003年该桥经受住了6.2级地震的考验。

3 国内对铅芯橡胶支座研究现状及进展

我国对铅芯橡胶支座的研究始于 1990年左右，大量学者和科研人员投入其中，并且取得了一系列成果和结论。

周福霖等[3]在“设置限位器双向隔震铁路桥梁车桥藕合动力响应研究”中对利用铅芯橡胶支座双向隔震的铁路桥梁在火车的冲击作用下的力学性能进行了研究，得出在常规设置铅芯橡胶支座的情况下会导致桥梁在横向的初始刚度和屈服强度无法达到设计要求。通过在支座处设置限位装置，使得桥梁的力学性能得到极大改善。

庄军生等[4]在“铅芯橡胶支座的非线性动态分析力学参数试验研究”中对不同结构构造的铅芯橡胶支座进行非线性的力学参数分析，研究铅芯橡胶支座的力学性能与构造和外加动荷载之间的关系，得出组合材料和构造形式对铅芯橡胶支座的力学性能起到决定性作用。并且得出彼此之间一系列回归关系，为铅芯橡胶支座的设计提供了一系列依据。

杜修力、韩强等[5]对方形的铅芯橡胶支座进行水平剪切实验的研究，确定方形铅芯橡胶支座的屈服强度和等效阻尼比等数值与水平剪切力之间的函数关系和相关规律。得出此类形状支座在双向受力情况下具有良好的水平与竖向性能。