新型减隔震支座的研究

【摘要】：普通桥梁减隔震支座可能发生翻滚失稳，并且存在肥大等弊端。针对这些问题，提出一种新型减隔震支座，它是由聚四氟乙烯滑板、肘块、支柱和高弹性阻尼橡胶体通过连杆连接而成。通过理论推导和分析，得出了新型减隔震支座的等效刚度和等效阻尼比的计算式和系统周期图示。应用大型专业分析软件ANSYS，对实际桥梁进行建模分析，结果表明，新型减隔震支座的应用，可以使桥梁的减隔震效果达到50%以上。

【关键词】：桥梁；新型减隔震支座；特征参数；减隔震效果

中图分类号： U445 文献标识码： A 文章编号：

引言

减隔震支座可以有效地增加结构阻尼，延长结构的自振周期，减轻地震对桥梁结构的破坏作用。现在常用的减隔震支座有分层橡胶支座(板式橡胶支座)、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等几种类型。由于这些橡胶支座都是通过水平剪切变形来满足增加桥梁的一阶固有周期的要求，水平位移量不能超过支座直径的四分之三，否则会发生翻滚失稳破坏，所以对于中、大型桥梁，这些减隔震支座就要做的很肥大，从而导致设计、施工、造价等方面的问题。抗震型盆式橡胶支座同样面临着纵向位移量受限、自复位能力差等问题。开发一种既能满足正常使用和减隔震要求，又廉价和便于施工的新型减隔震支座具有重要的意义。

一、新型减隔震支座的构造和工作机理

新型减隔震支座是由聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座、支柱和高弹性阻尼橡胶体通过连杆连接而成。活动支座的构造如图1所示。

梁体由聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座支撑，用连杆将支柱与高弹性阻尼橡胶体连接起来，高弹性阻尼橡胶体由挡板和支撑固定。未发生位移时(支柱在支座正中间)，高弹性阻尼橡胶体与支柱的间距为D，一段连杆的长度为L，且满足D/2

固定支座的构造与活动支座相似，但2L=D，并且由销钉将支柱固定于侧向挡板，销钉强度可满足正常运营要求。发生地震时销钉被剪断，固定支座开始滑动，机理同活动支座。

二、新型减隔震支座的材料和制作工艺

橡胶是一种具有高弹性的高分子材料，橡胶在外力的作用下具有很大的变形能力(伸长率可达500%~1000%)，外力除去后又能很快恢复到原始尺寸。橡胶材料除了具有较高的抗压强度和抗剪强度外还具有较高的抗拉强度。

新型减隔震支座主要由聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座和高弹性阻尼橡胶体组成，聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座的材料和制作在此不作详述。橡胶体要有足够的弹性和阻尼，而通常在增大橡胶的弹性时会使它的阻尼减小，为使其弹性和阻尼同时达到要求，可在高弹性阻尼橡胶中夹入钢弹簧制成高弹性阻尼橡胶体。又为了使其在受拉时受力均匀，应在两端设置钢盖板。

三、减隔震技术的发展及使用条件

近一个世纪以来，将建筑物与由强震产生的地面运动的破坏作用分离开来的思想一直吸引着许多人。为了达到这个目的，提出了许多很有创造性的减隔震装置。但是减、隔震技术最初是用于建筑结构抗震的，随后才用于桥梁结构之中。经过日本关东大地震、中国唐山大地震的考验，减、隔震技术在工程中的应用更是得到了一致的肯定。对它的研究也越来越多。

减隔震技术对桥梁抗震性能的提高作用是毋庸置疑的，它能够全面的降低地震荷载，减轻地震荷载对桥梁结构的危害，但并不是所有的桥梁都能使用减、隔震技术的。对于如下一些情况，不宜使用减隔震设计:

(1)基础周围的土层易于发生液化时；

(2)下部结构柔性大，桥梁结构本身的固有周期比较长；

(3)由于基础周围地基软弱，桥梁周期加长可能引起地基与桥梁共振；

(4)支座中出现负反力的情况。

三、新型减隔震支座的参数计算

1、等效刚度

由新型减隔震支座的工作机理，其刚度为分段函数，当梁体正常伸缩变形时，位移量S小于等于2L-D，刚度为聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座摩擦所提供的刚度，因为此时没有自复位能力，等效剪切刚度为0；当位移量S超过2L-D而小于等于D时，系统的等效剪切刚度为高弹性阻尼橡胶体的拉伸等效剪切刚度K′；当位移量S超过D时，系统的等效剪切刚度为高弹性阻尼橡胶体的拉伸等效剪切刚度K′和压缩等效剪切刚度K″之和。

2、等效阻尼比

新型减隔震支座的等效阻尼比同样不是定值，即聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座摩擦所提供的刚度为K1，高弹性阻尼橡胶体的拉伸刚度为K2，高弹性阻尼橡胶体的压缩刚度为K3。

当2L-D

系统等效粘滞阻尼系数为C=Ceqs+Ceqr

式中:Ceqs为聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座的阻尼系数；Ceqr为高弹性阻尼橡胶体的阻尼系数。

系统等价阻尼比:ξ=C／2Mω=ξ1+ξ2

式中:ξ1为聚四氟乙烯滑板与肘块构成的支座的阻尼系数对应的结构的阻尼比

ξ2为高弹性阻尼橡胶体的阻尼系数对应的结构的阻尼比

M为支座支撑的上部结构的质量。

3、系统的自振周期

新型减隔震支座系统的周期T为一周内高弹性阻尼橡胶体变形时的运动时间T1加上梁体在自由伸缩位移内运动的时间T2，即T=T1+T2。T2与梁体的运动速度有关，当高弹性阻尼橡胶体变形很小、速度很低时，T2较大，相反的情况下T2较小，以致最后可忽略不计。系统的周期T与位移量S的关系曲线如图3所示。图中T0为T1的最小值，即系统刚度最大时在一周内高弹性阻尼橡胶体有变形情况下的运动时间，曲线的拐点是由系统刚度的变化引起的。

四、新型减隔震支座的减隔震效果

为检验新型减隔震支座的减隔震效果，以实际工程为例，对分别选用普通支座、铅芯橡胶支座和新型减隔震支座3种情况下的桥梁地震响应进行比较。

1、工程概况及计算模型

此桥的主桥为42m+64m+42m的三跨连续梁，中墩高18m，如图4所示。

桥梁位于八度地震区，场地类型为Ⅲ类场地。用大型专业分析软件ANSYS建立全桥分析模型，采用天津地震波作为地震输入，峰值加速度为0.2g，经处理后，将加速度施加于纵桥向，进行历时19.98s的地震时程反应分析，时间间隔为0.02s。

2、分析结果及比较

分别采用3种不同类型的支座时，对中间两主墩(其中一个为固定支座，一个为活动支座)的墩顶位移、墩底弯矩以及梁移进行比较。将3种情况下前5。6s的响应在同一图中画出，得出采用铅芯橡胶支座能有效减小固定支座墩的墩顶位移、墩底弯矩和梁移，但同时较显著地增大了活动支座墩的墩顶位移、墩底弯矩；而采用新型支座不但能有效减小固定支座墩的墩顶位移、墩底弯矩和梁移，达到与铅芯橡胶支座相当的效果，而且能有效减小活动支座墩的墩顶位移、墩底弯矩。所以在减震效果方面，新型减隔震支座比铅芯橡胶支座有明显的优越性。

结束语

由于连杆的设置，新型减隔震支座能满足梁体受温度等影响的自由伸缩要求，这对大跨度桥梁尤为重要。从关于支座材料和制造的讨论中可知，高弹性阻尼橡胶体的抗拉特性可以满足设计要求；也是由于连杆，使一侧橡胶体受压而另一侧橡胶体受拉，这样可以充分利用材料，减小支座体积。由于设有固定支座，使桥梁具有足够的水平刚度，能满足正常运营要求。新型支座具有比铅芯橡胶支座更好的减震效果，最大可使地震响应减小50%以上。这种支座经济、耐用、便于维护，可使桥梁经受多次地震的考验；允许产生较大的水平位移量，可应用于大型桥梁结构中。

参考文献:

[1]范立础，王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2]薛晓锋.功能分离式减震支座的开发研究[M]。西安:长安大学，2003.