淺談隔振器在公路橋梁上應用

張小慧

（內蒙古高等級公路建設開發有限公司呼和浩特分公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

淺談隔振器在公路橋梁上應用

張小慧

（內蒙古高等級公路建設開發有限公司呼和浩特分公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

通常在地震工程中減隔振橋梁的設計不是數學方程和安全系數的簡單應用，它需要理解和接受一種特殊的設計思路，文章探討了常用隔振器和耗能裝置，重點介紹了分層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑動支座的優缺點和隔振作用原理。

隔振器；橋梁；支座；應用

1 概述

目前，橋梁設計者和負責橋梁抗震保護者已分成尖銳對立的兩派，一派認為減隔振裝置是解決所有抗震問題的最佳方法；另一派認為這種方法極不可靠，應杜絕使用。由于這種分歧，即便有減隔振橋梁非線性相應的良好模擬能力和可靠的生產水平，減隔振設計在大震中的相應經驗也仍然有限。另一方面安全標準的建立又與變化的保護系數和相應參數有關，而這種建立安全標準的研究還不完善，這也是將來研究的一個重要領域。

就目前來看，設計隔振橋梁應采用較大的安全系數，減隔振器裝置必須進行測試和非線性時程分析，橋梁檢測中心必須慎重的進行周期性檢查和裝置的重新測試。由于設計參數選擇余地大，因此，很難找到一個簡單的設計標準，所以減隔振器也難以做到規范化。因此，最終的設計必須進行更可靠的核查，其作用也必須用能模擬其真實響應的模型來加以證實。

2 隔振器和耗能裝置

2.1 常用隔振裝置的特性

減隔振體系提供附加水平柔度和能量耗散的同時，也必須能夠支撐整個結構物，這3種功能同時集在一個裝置上，或者也可以用不同的組成部分來提供這些功能。例如，傳統的橋梁采用將連續梁面板支在四聚氟乙烯支座上來承受溫度變形，其位移可用液壓和粘滯阻尼器加以限制，而且這些方法均可耗散額外能量。

除了減隔振體系改變震動周期和增加結構阻尼以外，選擇減隔振體系時尚需仔細考慮以下幾個參數：①重復準靜力荷載下的變形能力（即初始剛度）；②屈服力和位移；③極限位移和達到極限后的特性；④變形后的恢復能力；⑤豎向剛度。

以下介紹目前世界上主要常用的隔振裝置和它們的主要特性：

2.1.1 分層橡膠支座

對橋梁的上部結構做簡單的隔振裝置是圓形或矩形橡膠支座，但這種支座也有許多缺點，這主要與豎向荷載作用下的大變形有關。在支座中插入一些水平鋼板后大部分缺點都能克服，因為這些彈性支座墊片不但能使豎向剛度得以增加，也增大了只坐在水平荷載作用下的穩定性,因主要由橡膠控制特性，這種支座的反應大致呈線性。因此，如果沒有其他構件來提高其阻尼和非地震荷載下的穩定性，通常很少采用這種支座，除非所用橡膠具有很高的內阻尼。

支座的數量、形狀和設計由要傳遞的豎向荷載控制。假如最大水平位移已設定，則支座的強度將與作用面積成正比，與橡膠層厚度成反比，而這又決定了支座的豎向和轉動剛度。橡膠層總厚度（層數）將對支座最大允許側向位移和振動周期產生重要影響。

2.1.2 鉛芯橡膠支座

以上所述分層橡膠支座有許多顯著的優點，然而也存在阻尼的增長幾乎可忽略以及在低靜載下變位較大等有關的基本缺點。插入鉛芯后（見圖1）由于鉛芯能耗散地震影響時的能量和增加靜載下的支座剛度，得到這種簡單裝置能滿足一個良好隔振體系的大部分要求，因此，在橋梁中這種裝置應用很廣。

圖1 鉛芯分層橡膠支座

鉛金屬合適的力學性能使其成為一種能與分層橡膠支座聯合作用的最佳材料：較低的屈服剪切強度（約10 MPa），足夠高的初始剪切剛度（約等于130 MPa），基本呈彈塑性特征以及塑性循環下良好的疲勞特性。對一個鉛芯直徑為支座直徑的1/4的支座，如果考慮橡膠的特性，容易驗證支座的初始水平剛度約增長了10倍，這在風荷載和制動力作用時具有顯著優點。鉛芯的響應基本呈理想彈塑性曲線，因此，屈服后支座剛度將與普通橡膠支座相同。見圖1。分層橡膠支座的最大側向力可由剛度和允許位移求得，其近似計算公式如下：

其中，假設 G r=1 MPa，A’/A=0.5，正方形支座寬度為 B（mm），高為h(mm)，Vr單位為N，再假設鉛芯直徑為B/4，剪切剛度為10MPa，則鉛芯所受最大水平力可由下式求得：

或近似：V1=B2/2

對一個總高度為h、寬度為B、鉛芯直徑為支座邊長的1/4的支座，鉛芯與橡膠對支座總強度的貢獻大致相當。。

實驗表明，在一個很大的頻率范圍包括典型地震頻率在內，鉛芯橡膠支座對應變率的依賴性很小，并且在重復荷載下具有較強的穩定特性（20圈后最大位移處耗能能力大約減少20%），而且其溫度依賴性也不強（60℃溫度變化大約引起30%的內力變化）。鉛芯橡膠支座在徐變荷載下的影響也較好；在典型溫度引起的速率上，鉛芯的剪切應力大約減少為較高地震加速率時的30%。由橡膠產生的彈性恢復力也足以將結構推回初始位置。鉛芯橡膠支座將周期偏移和阻尼增加結合到一個簡單的豎向支承上了，因此，成為橋梁隔振經濟而有效的方法。然而必須注意，鉛芯的增加也使大部分在分層橡膠支座下具有的自恢復特征喪失了。因此必須注意從制作的角度出發，為保證鉛芯的純受剪特性，鉛芯必須用鋼板良好的約束住，這將保證滯回線對較大范圍的豎向荷載均不敏感，因此，鉛芯圓柱應略大于預留圓柱。

3 滑動支座

不銹鋼——四氯乙烯支座作為橋梁上部結構的滑動支座大約已使用了40多年，這種支座允許橋梁產生溫度位移。在極低速率，例如溫度和徐變推倒下，四氯乙烯在不銹鋼板上的摩擦系數約為0.02～0.03（依靠潤滑劑）；但在典型地震速度和橋梁支座壓力下，摩擦系數卻相當高，約在0.10～0.15之間變化，但這種支座需要定期予以檢查和維修。四氯乙烯支座的相應幾乎為完全剛塑性，因而其能量耗散能力極大。由于等效屈服強度依賴于摩阻系數，這點就有些不太可靠。該體系沒有任何自恢復力，故存在滑動較大甚至支座脫開的可能性。

圖2

圖3

由于相應的可預測性和可靠性都不盡人意，也由于沒有任何自恢復力，四氯乙烯支座必須和其他裝置一起使用才能成為一種隔離裝置。四氯乙烯支座如與鋼板阻尼器或橡膠支座聯合使用，將產生良好的組合效果。對前者，所有豎向力將由四氯乙烯承擔，其摩阻系數將保持在最低值，而鋼板阻尼器則可提供部分自恢復力和額外的阻尼。對后者，豎向力由兩種體系分擔，四氯乙烯支座的軸向力將有所降低，而橡膠支座將提供一個自恢復力。橡膠支座與四氯乙烯支座也可組合成一個上下疊合體系，以在受力小于支座滑動力時提供足夠柔度。

當滑動支座的概念和擺錘式響應的概念相結合時，就產生了一種概念上有趣的隔振體系，即摩擦擺錘體系（簡稱FPS），見圖2，這個原理可見圖3說明。橋面重力支撐于滑動在一球面的滾軸上，因此，任何一個水平運動都將產生一個重力的豎向提升，如忽略摩阻，該體系的運動方程就近似于一質量相等的擺錘運動，擺錘長度為球面曲線半徑。對一自重為W，質量為M,曲線半徑為r的擺錘，顯然其振動周期Tp和相關剛度Kp分別為（g為重力加速度）：

對低于支座材料摩阻力的水平力，這種支座的力——位移響應呈剛性，承受較大荷載時則與Kp成正比，換言之，當水平力超過摩阻力時，結構將以Tp為周期作擺動。

它與相似形狀的橡膠支座相比，豎向承載能力、側向剛度和振動周期的變化與支座尺寸變化的數量級相同。

3 結束語

盡管摩擦擺錘體系（FPS）支座具有很多顯著優點，但在國內很難見到這種支座用于橋梁結構中，也許因為這種技術的發展較新的緣故（或者還有其他因素制約），建議我國橋梁研究工作者大力推廣應用。

Discussion on the Isolator’s Application in the Highway Bridge

Zhang Xiaohui

Usually in the earthquake engineering,less vibration bridge design is not a simple application of mathematical equation and safety factor.It needs to understand and accept a particular design idea.The paper discusses the normal isolator and energy dissipation device,highlights the advantages,disadvantages and isolation principle of layered rubber bearing,lead rubber bearing and slidingbearing.

isolator；bridge；bearing；application

TB535

A

1000-8136(2011)08-0036-02

張小慧，女，內蒙古人，2006年7月畢業于北京交通大學工程管理系，助理工程師。