日本橋梁隔震的發(fā)展歷程簡介

黨　紀(jì)

日本橋梁隔震的發(fā)展歷程簡介

黨紀(jì)

黨紀(jì)，工學(xué)博士，現(xiàn)于日本埼玉大學(xué)主要從事結(jié)構(gòu)抗震、隔震與減震等教學(xué)與研究工作。1998年至2006年就讀于東南大學(xué)土木學(xué)院，先后獲得學(xué)士和碩士學(xué)位；2006年赴日留學(xué)，2010年獲日本愛知工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位，后任該?？拐鹪囼炛行牟┦亢笱芯繂T，主要從事雙方向地震動耦合作用下鋼橋柱的抗震性能及其力學(xué)特性模型研究。2012年至2013年為京都大學(xué)研究員，從事隔震結(jié)構(gòu)動力試驗、橡膠支座性能鑒定等研究工作。2013年至今為埼玉大學(xué)助教，從事教學(xué)與研究，研究領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)抗震、隔震減震以及利用智能手機的結(jié)構(gòu)監(jiān)測和無人機結(jié)構(gòu)巡檢等。

日本隔震設(shè)計由來已久，其間遭受了幾次大地震的洗禮，經(jīng)過數(shù)代學(xué)者的探索，發(fā)展至今。特別是1995年阪神大地震之后，日本橋梁隔減震技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，積累了豐富經(jīng)驗，技術(shù)日趨成熟。盡管仍存在一些問題尚未解決，但其發(fā)展經(jīng)歷和教訓(xùn)有很多值得我國借鑒之處。本文旨在簡述其發(fā)展歷程，其間遇到的問題及其解決方法，介紹近年來的新問題和今后的展望，以供我國工程人員參考，也使得普通讀者對隔減震橋的由來有所了解。

隔震概念的起源

地震動發(fā)自震源，在地球內(nèi)部和地表傳播，地表會相對于地心運動，建筑和橋梁等這些修建于地表的結(jié)構(gòu)，則被地表帶動運動。由于結(jié)構(gòu)相對于地心有慣性，地表帶動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了慣性力。抵抗住慣性，使得結(jié)構(gòu)隨著地表運動，是為抗震。

圖1　750年前的隔震京都三十三間堂

人們發(fā)現(xiàn)，一些結(jié)構(gòu)如寺廟亭臺等，下部與地表并不牢靠，在地震中不完全隨地表移動，雖然震后偏離原來的地表位置，但上部結(jié)構(gòu)并無大礙，依舊可以正常使用，故稱此種結(jié)構(gòu)為隔震。隔減震結(jié)構(gòu)有兩個任務(wù)，一個是使結(jié)構(gòu)長周期化，以避開地震常見的1秒以下的特征周期，實現(xiàn)減少地震作用輸入上部結(jié)構(gòu)；另一個是采用阻尼器或隔震支座吸收結(jié)構(gòu)動能，控制地震時結(jié)構(gòu)的變形。

隔震的概念由來已久，古代日本在建設(shè)寺廟時就沿用中國傳統(tǒng)方法，一層沙一層粘土交互鋪墊下部基礎(chǔ)，比如現(xiàn)存京都的三十三間堂，屹立不倒已750年（見圖1）。

到了近代，早在1909年英國醫(yī)師Calantarients就曾在美國申請關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)的專利（見圖2）。1923年的關(guān)東地震，給日本東京造成了災(zāi)難性破壞，次年鬼頭三郎和山下興家在日本申請了關(guān)于隔震支座專利（見圖3）。這時的隔震其實和后來在橋梁中得到廣泛應(yīng)用的滑動支座已經(jīng)很接近了，基本原理就是小球滑軌支撐結(jié)構(gòu)重量，地震時自由滑動。

圖2　Calantarients的隔震概念

圖3　鬼頭三郎的隔震裝置

之后關(guān)于建筑隔震減震的方法和理論得到了快速的發(fā)展，當(dāng)時著名的剛?cè)嵴撟C中，真島健三郎在《關(guān)于房屋抗震的結(jié)構(gòu)選擇》一文中指出當(dāng)時主流的剛性結(jié)構(gòu)耐久性和變形能力不足，認(rèn)為柔結(jié)構(gòu)更有利于抗震，提倡第一層用柔結(jié)構(gòu)（Soft-first-story）。只不過當(dāng)時既缺乏有效的強震記錄，也無計算機來計算反應(yīng)譜，更無大型振動臺實際驗證，剛?cè)嵴撟C不了了之，隔震結(jié)構(gòu)也沒有在那一時期得到真的應(yīng)用。

圖4　采用橡膠墊的Melbourne的鐵道橋

圖5　日本第一座隔震橋?qū)m川橋

隔震概念的理論驗證

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后，隨著計算機的出現(xiàn)，各種關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)的數(shù)值解析開始出現(xiàn)，相繼從理論上和數(shù)值試驗中，隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能逐步得到了驗證。

人們逐漸發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)不單純跟結(jié)構(gòu)的剛度相關(guān)，還和結(jié)構(gòu)的重量相聯(lián)系，兩者之比標(biāo)志結(jié)構(gòu)特有的振動周期。而地面的運動也有自己的特征周期，一般靠近山地處，地基一般較為堅硬，場地的特征周期一般低于0.5秒，地下土層較厚，土質(zhì)較為松軟的地帶，場地特征周期較長，通常在1秒附近。

隨著結(jié)構(gòu)的自振周期變得越長，結(jié)構(gòu)在地震動作用下的振動加速度也就越小，但是振動中產(chǎn)生的位移卻是逐漸變大。使用隔震的長周期結(jié)構(gòu)可有效減小對地震的反應(yīng)，但必須控制其變形即位移的增大。其中，控制地震反應(yīng)位移的最好辦法就是增大結(jié)構(gòu)阻尼。

另一方面，隨著橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)工業(yè)橡膠和鋼板結(jié)合可得到水平方向柔軟，垂直方向高強的積層橡膠支座，也就是之后得到普遍應(yīng)用的隔震橡膠支座。1889年澳大利亞墨爾本市的鐵道橋就用橡膠墊作為支座來減少振動噪音（見圖4）。

然而隔震的概念真正應(yīng)用到橋梁中是在1980年以后。隨著隔震建筑的應(yīng)用逐漸推廣逐漸開始得到應(yīng)用，日本的國土交通省，一批頂尖的研究人員開展了由上至下研發(fā)隔減震橋梁的各種嘗試。1986年，當(dāng)時國土交通省下屬的國土開發(fā)技術(shù)研究中心設(shè)立了專門研究這一技術(shù)在橋梁中應(yīng)用的委員會，開始調(diào)研適用于公路橋梁的隔震裝置。經(jīng)過多年研究，終于在1991年發(fā)表了他們的研究成果，也就是第一個公路橋梁隔震設(shè)計指南草案。同年日本第一個隔震橋梁——宮川橋竣工（見圖5），這也宣告了日本橋梁隔震的誕生。

圖6　日本抗震設(shè)計用地震動反應(yīng)譜圖

圖7　可移動伸縮裝置

圖8　隔震與減震（長周期化與增大耗能）的反應(yīng)譜解釋

橋梁隔震技術(shù)特點

隔震建筑主要通過延長結(jié)構(gòu)固有周期（見圖6），避開地震動的卓越周期，使得地震動無法傳遞到結(jié)構(gòu)。因此，這一方面需要柔軟的橡膠支座，但另一方面橡膠支座會產(chǎn)生較大的變形，通?；A(chǔ)層隔震建筑通過設(shè)置隔離空間和配置可活動軟管來滿足對這種大變形的需求。可是橋梁沿著橋軸方向很長，為了應(yīng)對溫度伸縮和徐變收縮，橋梁與橋梁之間本來就需要設(shè)置較大的可伸縮裝置（見圖7），這樣能提供地震時可伸縮的空間就受到了局限。如果進(jìn)一步加大伸縮縫，伸縮縫需要特殊定制，成本會變得難以接受。另外，車輛行駛會產(chǎn)生振動和噪音，伸縮縫過大，可能會導(dǎo)致車輛行駛速度受到限制等問題。

因此橋梁隔震相比較建筑結(jié)構(gòu)，除了延長結(jié)構(gòu)周期和避開場地特征周期以外，還需要大量的減震耗能裝置（見圖8）。增加結(jié)構(gòu)耗能水平有兩個好處：一是減小結(jié)構(gòu)地震作用下的變形，二是減小地震作用在下部結(jié)構(gòu)（橋墩和基礎(chǔ)）時下部結(jié)構(gòu)的反力。這樣既可減小所需要的伸縮空間，又可減小下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載。但是既然需要控制變形，隔震橋梁的固有周期就不可能太長，與隔震建筑相比較，隔震橋梁的固有周期較短，少有超過2秒的情況。同時設(shè)置過多過強的阻尼器反而會反鎖結(jié)構(gòu)變形，減少耗能效果造成反效果。因此無論是延長周期還是耗能減震，在隔震橋梁設(shè)計中都需要精確的計算分析，這也是橋梁隔震的設(shè)計的難點所在。

圖9　抗震橋（上）水平力分散橋（中）和隔減震橋（下），（圖片源自O(shè)iles資料）

圖10　阪神地震中發(fā)生的落橋

圖11　抗震橋與隔震橋的區(qū)別

日本隔震橋梁的發(fā)展

早期的公路橋梁一般都采用鋼制的橡膠支座或移動支座。在橋軸方向，考慮到橋梁上部結(jié)構(gòu)因溫差產(chǎn)生的收縮，一般橡膠支座布置在中央橋柱，其他橋柱和橋臺就需要布置滑動支座，以滿足上部結(jié)構(gòu)收縮。因此這樣的橋梁就需要中間橋柱很強，其他橋柱較弱，因為地震時只有中間橋柱抵抗水平地震力（見圖9）。

在隔震橋梁出現(xiàn)之前就有很多橋梁使用橡膠支座，主要是把地震水平力分散到各個橋柱上，以增強橋梁整體抗震性能。雖然水平力分散橋不是嚴(yán)格意義上的隔震橋，既沒有使用隔震設(shè)計指南設(shè)計，且其抗震能力的提高主要是靠水平力分散，但其客觀上起到了一定延長周期的作用，也增加了結(jié)構(gòu)變形能力。

在1995年兵庫縣南部地震（阪神淡路地震）中，傳統(tǒng)式樣的抗震橋梁遭受了慘重打擊，鋼制支座損害嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致落橋（見圖10）。而使用了橡膠支座的橋梁卻基本沒有嚴(yán)重的損傷，橡膠支座竟無一破壞。從此，日本興起建設(shè)隔減震橋的潮流，1995年之后建設(shè)的新橋梁大部分是隔減震橋，對舊橋進(jìn)行加固改造時，也經(jīng)常將橋梁支座更換為隔震支座，采用隔減震的方法增加橋梁的抗震性能（見圖11）。

橋梁隔震支座

橡膠隔震支座從原來單一的純天然橡膠支座，發(fā)展出了加鉛芯的LRB和人工合成高分子粘彈性材料的高阻尼橡膠（HDR），甚至高阻尼橡膠中加入鉛芯的彈簧約束型鉛芯橡膠支座SPR-S（見圖13）。

鉛芯橡膠支座LRB利用橡膠的彈性變形和鉛的塑性耗能分別起到延長的作用。由于鉛芯所占比例可以調(diào)節(jié)，所以在設(shè)計上有一定的靈活性。而且LRB的特性穩(wěn)定，大變形情況下的超彈性硬化現(xiàn)象比較小，但由于鉛芯必須被有效約束，不然就會變成只有橡膠在變形，因此可加入的鉛芯是有限度的，其等價阻尼比為15%～20%。

然而由于LRB需要大量使用鉛，其未來對環(huán)境的影響還不明確，所以后來研發(fā)了對環(huán)境負(fù)擔(dān)比較小的高阻尼橡膠HDR。與RB和LRB不同，HDR使用的是人工合成高分子材料，又稱之為粘彈性材料，除了用于HDR隔震支座還可用于HDR阻尼器，也有人稱之為粘彈性阻尼器或橡膠阻尼器等。有些HDR（HDR-S等）的等價阻尼比甚至可以達(dá)到25%左右。結(jié)合了LRB和HDR兩者優(yōu)點的SPR-S，其耗能能力更是有飛躍性的提升。

圖12　隔震橋的常見設(shè)置方式（圖片源自O(shè)iles主頁）

圖13　LRB（★Oiles），HDR（★川金）與SPR-S（★川金）

今后關(guān)于橋梁隔減震的課題

雖然在阪神地震等大地震中，隔震支座無一破壞，然而在2011年東日本大地震和2016年熊本地震的時候，均發(fā)生了橡膠支座破壞的現(xiàn)象。其中，不排除設(shè)計不當(dāng)和橡膠支座性能不均一等因素，但其中主要原因被認(rèn)為是與橡膠支座的老化有關(guān)。

最近在一些橋梁中發(fā)現(xiàn)LRB的鉛芯在經(jīng)歷近20年的長期使用之后，逐漸從橡膠的包裹中溢出，造成支座表面橡膠隆起，甚至鉛芯露出。而一些使用了近30年的舊型號的橡膠支座（Ring Shoe），表面出現(xiàn)橡膠開裂，其變形性能也大幅下降。盡管增加了各種各樣的防止橡膠老化硬化的保護(hù)層薄膜等，一些僅使用10年的HDR的表面還是出現(xiàn)了裂縫。

雖然隔震支座的老化原因還有待進(jìn)一步研究，但總體上與其室外使用環(huán)境有關(guān)，如長期受到雨水沖刷、紫外線輻射等，還與在橋端經(jīng)歷反復(fù)伸縮及轉(zhuǎn)動變形等因素有關(guān)。因此，隔震支座的后期維護(hù)極為重要，一是要對隔震支座進(jìn)行定期檢查維護(hù)；二是在設(shè)計制作時就要考慮在出現(xiàn)老化或在地震中受損后可以及時更換。

另外，如何考慮雙方向地震動耦合，如何簡化設(shè)計，同時考慮橡膠在大變形時的應(yīng)力硬化，高阻尼橡膠在低溫下展現(xiàn)出較強的速度依存性和初次加載強化（Mullins效應(yīng)）問題，這些難題還都有待解答。另外需要注意的是橡膠制品多少都有一些不確定性，不像金屬及混凝土這些材料那么穩(wěn)定可靠，因此在設(shè)計階段就應(yīng)該適當(dāng)考慮到這些不確定性，留有安全余地，采用較為穩(wěn)妥的設(shè)計。