淺談橋梁減隔震技術(shù)

郭富城 郭圣品 沈瑾鈺 魯可 史地

【摘 要】 簡(jiǎn)要介紹橋梁減隔震技術(shù)的研究現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)有的橋梁減隔震裝置，并同傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)相對(duì)比，討論了結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)的一些特點(diǎn)，最后展望了橋梁減隔震技術(shù)與理論的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以促進(jìn)對(duì)減隔震技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 橋梁 抗震 減隔震裝置 減隔震技術(shù)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強(qiáng)度、變形能力來(lái)抗震的。該方法中，容許很大的地震能量從地面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)，而橋梁抗震設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題就是如何為結(jié)構(gòu)提供抵抗這種地震作用的能力。盡管通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇塑性鉸的位置和仔細(xì)設(shè)計(jì)構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造可以確保結(jié)構(gòu)的整體性和防止結(jié)構(gòu)倒塌的發(fā)生，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生損傷是不可避免的。近幾十年來(lái)，為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，一些研究人員提出一些新的抗震技術(shù)，主要包括減隔震技術(shù)、被動(dòng)控制技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)以及混合控制技術(shù)等。

減隔震是指通過(guò)采用減隔震裝置來(lái)盡可能地將結(jié)構(gòu)或部件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)或支座運(yùn)動(dòng)分離開來(lái)，大大減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量。在滿足正常使用要求的情況下，這種分離或解耦是通過(guò)增加系統(tǒng)的柔性和提供適當(dāng)?shù)淖枘醽?lái)實(shí)現(xiàn)的。被動(dòng)控制、主動(dòng)控制及混合控制技術(shù)均屬于結(jié)構(gòu)控制技術(shù)范疇，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是指在工程結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種裝置、或某種機(jī)構(gòu)（如耗能支撐等）或某種子結(jié)構(gòu)（如調(diào)頻質(zhì)量等）或施加外力（外部能量輸人），以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性或動(dòng)力作用，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的各種附屬物的安全。從本質(zhì)上說(shuō)，減隔震方法也是結(jié)構(gòu)控制方法中的一種，屬于被動(dòng)控制技術(shù)的一種。

1.橋梁減隔震裝置簡(jiǎn)介

經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，減隔震技術(shù)給傳統(tǒng)的地震工程領(lǐng)域帶來(lái)了強(qiáng)大的活力，也不斷涌現(xiàn)出不同類型的新型裝置，根據(jù)不同的目的和用途可以簡(jiǎn)要分為以下幾類：（1）耗能減震裝置：黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、電流變阻尼器、磁流變阻尼器，以及金屬類阻尼器，如軟鋼阻尼器、鉛阻尼器、記憶合金阻尼器及約束屈曲支撐（BRB）等;（2）柔性橡膠支座：疊層板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座（LRB）、高阻尼橡膠支座（HDRB）、填充鋼珠橡膠支座等;（3）滑動(dòng)摩擦類支座：純滑動(dòng)摩擦支座（如四氟滑板支座）、摩擦擺式支座（FPS）、雙曲面球型支座、多球面滑動(dòng)摩擦支座;（4）組合型減隔震裝置：如橡膠支座與滑動(dòng)支座的組合支座、拉索減震支座;（5）連接、限位裝置：如Lock-up 鎖定裝置、耗能擋塊、耗能限位器等。

2.同傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)相比采用隔震技術(shù)的一些特點(diǎn)

通過(guò)設(shè)計(jì)隔震系統(tǒng)，全面降低地震荷載，并改善降低后的地震荷載在上部結(jié)構(gòu)各支座間的分布，以保護(hù)橋墩、橋臺(tái)，必要時(shí)還保護(hù)上部結(jié)構(gòu)。由于增大了上部結(jié)構(gòu)各支座的總?cè)岫群妥枘幔沟卣鸷奢d減小，又由于使支座剛度與下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)，荷載分布也得以改善。

采用隔震系統(tǒng)后，在同等造價(jià)情況下可達(dá)到比傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)高的抗震性能，如保護(hù)墩柱，降低其延性需求等。

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的非彈性響應(yīng)分析還存在許多不確定性，這是因?yàn)榍‘?dāng)模擬構(gòu)件的非線性及構(gòu)件屈服后的弱化行為通常較困難。但對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，若采用全保護(hù)隔震設(shè)計(jì)，非線性僅局限于隔震裝置，因隔震裝置的力學(xué)特性相對(duì)于構(gòu)件的力學(xué)性能要清楚得多，從而易于得到較可靠的分析結(jié)果。

3.橋梁減隔震技術(shù)與理論的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

自上個(gè)世紀(jì)70 年代減隔震技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的工程師和研究人員開發(fā)了許多類型的減隔震裝置，隨著減隔震技術(shù)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于強(qiáng)地震區(qū)橋梁設(shè)計(jì)與加固工作，表現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）減隔震設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)梁式橋擴(kuò)展到了大跨度橋梁，如舊金山金門大橋（懸索橋） 就在上部結(jié)構(gòu)加裝了較多黏彈性阻尼器以進(jìn)行抗震加固;2005 年希臘建成的里翁-安蒂里翁跨海大橋通過(guò)在橋塔基礎(chǔ)與地基之間設(shè)置滑移墊層以及在主橋（斜拉橋）加裝液體黏滯阻尼器，使之可抵御水平、豎向各2 m 的斷層運(yùn)動(dòng)位移及強(qiáng)烈地震動(dòng)作用。

（2）多種減隔震裝置組合應(yīng)用已獲得更優(yōu)的橋梁減震方案，除前面提到的智利Amolanas 橋和美國(guó)Bill Emerson Memorial 斜拉橋外，美國(guó)加州南部91 /5 公路橋在兩橋臺(tái)上組合使用了橡膠支座和液體黏滯阻尼器。

（3）減震裝置與橋墩等結(jié)合形成損傷可控或具自復(fù)位功能的新型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系。如El-Bahey等提出了在雙柱式排架之間設(shè)置剪切鋼板或屈曲約束支撐等可更換耗能裝置，用以消耗地震能量以保護(hù)排架本身免于地震損傷的設(shè)計(jì)概念。孫利民等則提出了設(shè)置耗能型輔助墩，將墩間的剪切型連桿或屈曲約束支撐等耗能構(gòu)件設(shè)計(jì)為“保險(xiǎn)絲”，以達(dá)到保護(hù)斜拉橋主塔的目的。

（4）中國(guó)高速鐵路橋梁的減隔震技術(shù)有較大的發(fā)展空間。我國(guó)高速鐵路運(yùn)行里程和建設(shè)規(guī)模已局世界前列。高速鐵路橋梁與公路、一般鐵路橋梁相比具有如下不同抗震特點(diǎn)：1）為保證列車高速平穩(wěn)運(yùn)行，橋墩、支座體系剛度要求高，位移限制嚴(yán)格，這也意味著其要承受更大的地震荷載;2）高速鐵路橋梁占比大，行車密集，地震時(shí)列車位于橋上概率極大，即便采取緊急剎車，其到完全靜止所用時(shí)間也與強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間相當(dāng)。橋梁抗震設(shè)計(jì)必須要保證運(yùn)行列車的充分安全，堅(jiān)決杜絕脫軌及傾覆事件發(fā)生;3）地震過(guò)后高速鐵路首要任務(wù)是在盡短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)通車，這要求橋梁要滿足地震損傷可控及具備被快速修復(fù)條件。

如前所述，傳統(tǒng)的公路橋梁減隔震技術(shù)未必適用于鐵路橋梁，更不適用于高速鐵路橋梁。因此，深入開展高速鐵路橋梁抗震問(wèn)題研究，發(fā)展適用的減隔震技術(shù)，已顯很是急需、迫切。

（5）第三代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論是減隔震橋梁發(fā)展的必然選擇?！暗谌Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論”將是以結(jié)構(gòu)生命周期中的整體可靠性設(shè)計(jì)為主體，以現(xiàn)代固體力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力災(zāi)變分析理論和耐久性設(shè)計(jì)理論、工程隨機(jī)系統(tǒng)分析理論為支撐，以結(jié)構(gòu)全壽命周期中的服役功能可靠為目標(biāo)的新一代設(shè)計(jì)理論。支座在全壽命周期內(nèi)力學(xué)特性隨時(shí)間和環(huán)境變化、健康監(jiān)測(cè)技術(shù)、震后損傷探測(cè)與評(píng)估等涉及到的問(wèn)題都有待深入研究。

【參考文獻(xiàn)】

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