鉛芯橡膠支座在橋梁減隔震中應(yīng)用綜述

蔡報坤 朱 剛 郭文妹

(1廣州大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006；2廣州大學(xué)基建處， 廣東 廣州 510006 )

0 引言

橋梁的傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法是通過提高橋梁的延性，利用結(jié)構(gòu)在大震作用下產(chǎn)生塑性鉸來消耗地震所產(chǎn)生的能量，而通過對塑性率的控制從而達(dá)到大震不倒的目的。而在小震以及中震情況下，橋梁抗震設(shè)計則是根據(jù)《抗震規(guī)范》所設(shè)置地“三水準(zhǔn)”要求。與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計通過提高材料強(qiáng)度等手段來提高橋梁抗震能力不同，減隔震措施是通過增加結(jié)構(gòu)柔性和能量耗散能力來減少作用于結(jié)構(gòu)上的地震作用。鉛芯橡膠支座因為具有良好的耗能能力、構(gòu)造簡單以及良好的抗疲勞能力等特點(diǎn)成為橋梁最為行之有效的減隔震措施，成為橋梁減隔震方式的研究重點(diǎn)。

1 鉛芯橡膠支座構(gòu)造和減隔震原理

1.1 鉛芯橡膠支座的構(gòu)造

鉛芯橡膠支座是在橡膠支座的中部或者中心周圍豎直地壓入純度為 99.9%的鉛芯就形成了鉛芯橡膠支座。其主要組成部分包括鉛芯、底板、頂板、疊層橡膠以及鋼板等

1.2 鉛芯橡膠支座減隔震原理

在非地震情況下，鉛芯橡膠支座能夠在正常使用狀態(tài)下承受來自橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重以及溫度荷載和混凝土的收縮徐變等作用，并且能夠?qū)蛄荷喜寇囕v引起的振動起到減隔震效果。鉛芯橡膠支座滯回曲線（如圖1）飽滿，其吸收耗散振動能量的功能是通過鉛芯的剪切變形來實現(xiàn)的，并且由于鉛芯的存在進(jìn)而增強(qiáng)了橡膠支座的阻尼，因而其具有較強(qiáng)的耗能能力。與此同時，鉛芯橡膠支座還能夠有效延長結(jié)構(gòu)的自振周期，從而減小結(jié)構(gòu)由于地震作用下引起的內(nèi)力響應(yīng)。

圖1 鉛芯橡膠支座滯回曲線

2 國內(nèi)外采用鉛芯橡膠支座橋梁應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

2.1 國外

鉛芯橡膠支座最早由新西蘭工程師羅賓遜提出。新西蘭是世界上最早將鉛芯橡膠支座應(yīng)用于橋梁工程的。新西蘭第一座采用鉛芯橡膠支座的橋梁是建于1973年的位于上哈特公路上的moonshine大橋，橋長168米，其上部為預(yù)應(yīng)力曲線橋。[1]

美國第一座應(yīng)用鉛芯橡膠支座在橋梁上是在1984年對受地震破壞后的sierra point 大橋上。該橋建于1956年，200米長，40米寬，采用鉛芯橡膠支座代替原來的剛性球鉸支座進(jìn)行隔震，采用鉛芯橡膠支座進(jìn)行隔震之后，使橋梁的柔性增加，延長橋梁的固有周期，使橋墩在地震作用時承受的地震力較少了 1/6，起到了良好的減隔震效果。

日本是世界上地震頻率最高的幾個國家之一。日本第一次將鉛芯橡膠支座應(yīng)用到橋梁是應(yīng)用于建于1990年的宮川大橋[2]。該橋在合理布置鉛芯橡膠支座進(jìn)行減隔震之后，將地震作用于該橋的慣性力合理分配到該橋的橋墩和橋臺上。并且通過鉛芯橡膠支座的設(shè)置使得該橋的自振周期由 0.3秒左右增加到 0.8～1.2秒左右。

2.2 國內(nèi)

石家莊的石津渠中橋是我國第一座采用鉛芯橡膠支座的公路橋梁，該橋抗震設(shè)防烈度等級為7度，全長共53米，標(biāo)準(zhǔn)孔徑16米，共有三個孔洞，一共設(shè)置了84個鉛芯橡膠支座。

而南疆鐵路則是我國第一個采用鉛芯橡膠支座進(jìn)行減隔震的鐵路橋梁，該橋全長288米，每個孔徑為32米。在2003年該橋經(jīng)受住了6.2級地震的考驗。

3 國內(nèi)對鉛芯橡膠支座研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

我國對鉛芯橡膠支座的研究始于 1990年左右，大量學(xué)者和科研人員投入其中，并且取得了一系列成果和結(jié)論。

周福霖等[3]在“設(shè)置限位器雙向隔震鐵路橋梁車橋藕合動力響應(yīng)研究”中對利用鉛芯橡膠支座雙向隔震的鐵路橋梁在火車的沖擊作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出在常規(guī)設(shè)置鉛芯橡膠支座的情況下會導(dǎo)致橋梁在橫向的初始剛度和屈服強(qiáng)度無法達(dá)到設(shè)計要求。通過在支座處設(shè)置限位裝置，使得橋梁的力學(xué)性能得到極大改善。

莊軍生等[4]在“鉛芯橡膠支座的非線性動態(tài)分析力學(xué)參數(shù)試驗研究”中對不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造的鉛芯橡膠支座進(jìn)行非線性的力學(xué)參數(shù)分析，研究鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能與構(gòu)造和外加動荷載之間的關(guān)系，得出組合材料和構(gòu)造形式對鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能起到?jīng)Q定性作用。并且得出彼此之間一系列回歸關(guān)系，為鉛芯橡膠支座的設(shè)計提供了一系列依據(jù)。

杜修力、韓強(qiáng)等[5]對方形的鉛芯橡膠支座進(jìn)行水平剪切實驗的研究，確定方形鉛芯橡膠支座的屈服強(qiáng)度和等效阻尼比等數(shù)值與水平剪切力之間的函數(shù)關(guān)系和相關(guān)規(guī)律。得出此類形狀支座在雙向受力情況下具有良好的水平與豎向性能。

4 結(jié)語

隨著我國高鐵的迅速發(fā)展和基礎(chǔ)工程的建設(shè)這一基本國情，并且我國屬于地震多發(fā)國之一，這就不可避免的要求我們在未來的橋梁的之中更多的考慮行之有效的減隔震措施。鉛芯橡膠支座因為其一系列優(yōu)點(diǎn)，成為橋梁減隔震中常用的方式方法之一。但是我國對于鉛芯橡膠支座的研究任然有很多方面需要進(jìn)行研究。

（1）現(xiàn)階段我國許多跨海跨江大橋在修建，而對海水腐蝕情況下鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能研究較少；

（2）鉛芯橡膠支座在地震作用后如若有能力損失，能否找到行之有效的更換手段與措施。

[1]范立礎(chǔ) ，王國強(qiáng).我國橋梁隔震技術(shù)的應(yīng)用[J].振動工程學(xué)報.1991（1）:26-34.

[2]范立礎(chǔ) .橋梁抗震[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.1997.18-38.

[3]溫留漢·黑沙 ，于芳，周福霖，文小菲.設(shè)置限位器雙向隔震鐵路橋梁車橋藕合動力響應(yīng)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報.2011, 6(31),616-621.

[4]吳彬，莊軍生，臧曉秋. 鉛芯橡膠支座的非線性動態(tài)分析力學(xué)參數(shù)試驗研究[J].工程力學(xué). 2004,5（21）,144-149.

[5]杜修力，韓強(qiáng)，劉文光，趙建峰. 方形多鉛芯橡膠支座力學(xué)性能研究[J].地震工程與工程振動.2006, 2(26),125-130.