斜拉桥结构中隔震减震技术的应用

张逸尘 唐 蓉

(1.解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007； 2.工程兵工程学院，江苏 徐州 221004)

(1.State Key Laboratory for Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact,PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China; 2.PLA Engineering Academy, Xuzhou 221004, China)



斜拉桥结构中隔震减震技术的应用

张逸尘1唐 蓉2

(1.解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007； 2.工程兵工程学院，江苏 徐州 221004)

针对斜拉桥本身具有半漂浮结构的特点，提出了通过粘滞阻尼器与减、隔震支座的减震设计思路，并阐述了粘滞阻尼器、铅芯橡胶支座及拉索减震支座的性能和应用方法，从而达到减弱结构地震反应的效果。

斜拉桥，减震设计，粘滞阻尼器，铅芯橡胶支座

1 概述

斜拉桥是一种由塔桥，梁，拉索，路板组成的桥梁结构，主要的地震力集中在桥板系统，地震惯性力的传播是通过斜拉索和塔墩，然后传递到承受塔墩的地基。

因此，在进行减震隔震设计时一般将耗能设备安装在斜拉桥主梁和塔桥连接处，可以通过这些设备确保在地震作用下斜拉桥可以耗散掉地震能量，而且还可以进一步改变结构的动力特性，增大结构的安全系数。

2 减震设计思路

一般的结构抗震性能要从内力和位移两方面进行考虑。为了达到最好的减震效果，结构在地震作用下的内力和位移需要尽可能的小[1]。但是在一般情况下，这两点要求往往是矛盾的，为了使结构的位移小，需要以较大的内力为代价。反之一样。斜拉桥结构具有漂浮体系的特点,并拥有刚度小,周期长,位移大的特性[2]。在塔与梁之间搭建弹性约束体系后，整体结构的刚度会随弹性约束的刚度增大而增大，结构的周期会减小。

斜拉桥本身具有半漂浮结构的特点，桥面板主要依靠斜拉索与塔桥连接，结构整体在地震作用下桥面产生内力相对较小，主要应力与弯矩集中在塔桥上。

地震作用下,结构的运动微分方程为:

(1)

对斜拉桥结构的减，隔震的设计有很多方法，可以通过粘滞阻尼器，减震支座等方法实现设计要求。

3 粘滞阻尼器的使用

3.1 粘滞阻尼器的力学特性

粘滞阻尼器的结构如图1所示，由一块固定钢板和一块可动钢板组成。其间保持一个微小的距离，间隙之间填充粘性体。在震动发生时，固定板和可动板发生相对移动，其间的粘性体会产生剪切应力，起到阻尼作用。

3.2 粘滞阻尼器的优点

1)粘滞阻尼器一方面可以依靠粘滞作用减小结构的内力，另一方面也可以降低震动时的位移。

2)粘滞阻尼器可以一定程度上改善斜拉桥的动力特性,增加斜拉桥的纵向振动的周期，提高减震效果。

3)使用粘滞阻尼器可减小地震水平惯性力。

4)使用粘滞阻尼器时,在水平地震作用下,可减小主应力的最大值和最小值的峰值差，从而达到减小疲劳破坏的效果。

4 减、隔震支座的使用

桥梁结构的梁体与墩台的连接处设有支座。根据理论与实验可知，通过在梁与墩台的连接处使用减、隔震支座,可以达到延长结构周期、增加结构阻尼系数的效果，从而达到减震隔震的设计目标。研究表明:斜拉桥的梁与塔的连接方式会对其动力反应有很大的影响[3]。本文以常见的铅芯橡胶支座为例进行简单介绍与分析。

4.1 铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座的基本结构如图2所示。支座的基本结构是桥梁上下支板之间的橡胶结构，在橡胶材料中垂直灌注铅芯使之成为一个铅块柱状体。在震动发生时，由于结构内部材料惯性作用，铅芯和橡胶之间会发生相对震动，可以达到滞回耗能的效果。

铅芯橡胶支座的结构简单，同时其可以在斜拉桥结构中提供较大的阻尼，并且由于其结构特点可以单独作为桥梁的制作，因此在很多国家被广泛用作桥梁和建筑物的减、隔震工具。

4.2 铅芯橡胶支座的作用

铅芯橡胶支座之所以选用铅柱作为支座的中心是由于铅的屈服应力较低(约为7 MPa)，并在塑性变形条件下具有较好的疲劳特性[4]，是一种很好的阻尼器。整体来看，铅芯橡胶支座在实际工程中可以达到如下效果：

1)铅芯橡胶支座可有效延长结构的震动周期，其延长效果比一般的板式支座更好；

2)铅芯橡胶支座的使用可以大幅减少桥墩处的剪力与弯矩，使地震力得以重新分配。

5 拉索减震支座

5.1 拉索减震支座设计原理

桥梁工程中一个常见的结构形式是连续梁桥，一般在每个系统的连续梁中会有一个墩位设置固定支座，其余墩位设置活动支座。但由于活动支座承受的力较小，一旦发生地震作用，固定支座上会集中大量应力并最容易发生破坏，桥梁的位移会进一步增大，结构会十分不稳定。特别是由于塔桥高度较大，在外力作用下人容易发生位移，梁的平衡位置也会发生偏移，并逐步远离初始平衡位置。这种较大相对位移的产生一方面会导致桥梁墩位的修复困难，还有很大可能致使主梁发生落梁。以往可以通过在固定支座上使用抗震销来加固支座，但这样会使支座受到的应力增加，更容易发生塑性破坏，对震后的修复工作造成巨大困难。

拉索减震支座的结构形式如图3所示，结构的关键点在于抗剪螺栓的设定，在小震作用下，拉索减震支座可以作为正常的固定支座使用。在较为严重的地震作用下，抗剪螺栓发生剪切破坏。此时支座成为活动支座，支座在上下支板之间设置了拉索以限制桥梁的墩梁相对位移，防止发生落梁等情况。这样的设计也方便在地震过后支座的快速修复。

5.2 拉索减震支座的性能目标

1)在无地震作用下，抗剪螺栓不断，拉索不起作用。支座仅发挥承载作用。

2)在小震作用下，原则上抗剪螺栓不发生剪断，要保证支座在震后的正常使用。

3)遇到烈度较高的地震作用时，抗剪螺栓的销钉发生剪断，此时支座成为活动支座，上下支座板之间会产生相对位移，其间的不锈钢板和四氟板起到提供摩擦力的作用并耗散能量。拉索发生作用，限制梁墩之间的位移。

5.3 拉索减震支座的恢复力模式

1)盆式支座。

在正常状态下，拉索减震支座功能与一般的盆式支座相同。其动力滞回曲线形状类似理想弹塑性材料的应力—应变曲线，如图4a)所示，Fs为临界摩擦力，计算公式为:

Fs=μN。

式中：K1——支座的弹性刚度；μ——滑动摩擦系数；N——支座的竖向压力。

2)拉索。

为保证长期使用，拉索不能发生屈服，因此应完全按照弹性材料来分析。其力—位移曲线如图4b)所示。

3)拉索减震支座。

拉索在抗剪螺栓剪断后发挥作用，其力—位移曲线可以如图4c)所示叠加。其中，K1为支座作为盆式支座时的弹性刚度；K2为拉索拉伸刚度；u0为拉索减震支座的自由行程。

6 结语

本文介绍了几种常见的用于斜拉桥的隔、减震装置。隔震减震技术概念简单，减震效果明显，可以有效提高结构周期。文中所介绍的几种装置也是在依据斜拉桥的结构特点进行设计。

在地震作用下拉索桥结构的主要位移发生在设置隔、减震装置的部分。同时，隔、减震装置会提供结构阻尼力并限制其位移过大，在此基础上耗散能量，震后还便于修复。为桥梁结构对抗地震灾害提供更好的保障。

[1] 宋天齐,李延年.结构隔震方向研究[J].特种结构,2000,17(1):43-44.

[2] 范立础,王志强.桥梁延性抗震设计[M].北京:人民交通出版社，2001．

[3] 宋 雷,贺立新.铅芯橡胶支座在简支梁桥减隔震中的应用[J].桥梁建设,2012,42(3):86-93.

[4] 范立础,袁万城.桥梁橡胶支座减、隔震性能研究[J].同济大学学报,1989，17(4)：167-168.

Application of seismic isolation technology in cable stayed bridge

Zhang Yichen1Tang Rong2

According to the features of the cable-stayed bridge with the semi-floating structure, the paper points out the earthquake reduction design ideas with the viscous damper and earthquake isolation and reduction support, and illustrates the performance and application method of the support of the viscous damper, lead rubber bearing, and cable earthquake reduction support, so as to weaken the structural earthquake effect.

cable-stayed bridge, earthquake reduction design, viscous damper, leaden rubber bearing

(1.StateKeyLaboratoryforDisasterPrevention&MitigationofExplosion&Impact,PLAUniversityofScience&Technology,Nanjing210007,China; 2.PLAEngineeringAcademy,Xuzhou221004,China)

1009-6825(2017)09-0157-02

2017-01-14

张逸尘(1992- ),男，在读硕士

U443.7

A