BZ系列减隔震橡胶支座对桥梁抗震性能研究

(西安工业大学建筑工程学院 陕西 西安 710032)

为了减轻地震带来的伤害，人们采取了许多措施，其中减隔震支座的使用，是这方面的重要方式之一，在这其中，减隔震技术和产品开发是一个重要的研究方面。早在上个世纪70年代，日本，法国，意大利等多个国家已经真正应用减隔震橡胶支座。目前，西方发达国家对于这方面的设计方法和产品开发已经比较成熟，然而，由于造价高昂以及国内外标准不通用等原因，这类产品并不能很好的在全世界流通使用。上世纪60年代，我国开始研究并逐步投入使用关于桥梁的橡胶支座，近年来，减隔震橡胶支座的技术在不断发展，并且根据欧盟标准制定了相关产品规范，但这些规范主要用于建筑结构，在桥梁上的使用及推广很少，所以本文针对中小型简支T型桥，提出一种新型减隔震支座——BZ 系列减隔震橡胶支座，来进一步分析和讨论这种支座在桥梁结构中的抗震性能。

一、问题提出及研究目的

桥梁支座的减隔震设计方案由于其原理简单明了，施工高效方便，减隔震效果显著的优点成为目前最受欢迎的一种结构隔震方法。当前减隔震支座主要有以下几种形式：铅心橡胶支座、盆式橡胶支座、高阻尼橡胶支座，这些支座的原理都是吸收消耗地震的能量从而避免桥梁的损害来减小地震对人们生命财产造成的威胁。但是根据适用领域来说，某些地区使用以上隔震支座会造成资源浪费以及造价过高等问题。基于这种问题本文研究“BZ(板式支座)系列减隔震橡胶支座”，通过对传统板式支座进行钢板及橡胶层数的合理设置，优化橡胶层厚度，使其在水平和竖向都能够对地震力起到良好的阻尼作用，能够延长结构的自振周期从而减小结构所受的地震加速度，从而有效的减小地震对人们带来的损害。

二、隔震结构体系

(一)桥梁结构的隔震原理

隔震结构是在桥梁上下部设置减隔震装置，通过延长结构周期，消耗地震能量等方式达到降低结构地震响应的目的。大量实验数据表示，结构采用减隔震装置水平加速度能够降低到非隔震的40%，能够有效减少结构破坏，使结构处于弹塑性变形阶段，是桥梁保持在安全范围内。

通过采用减隔震装置增加上下部结构的柔度，与非隔震体系相比，结构的自振周期增大，使整个结构落在加速度较小的区域。通过使用阻尼器，吸收一部分地震能量，在原有的基础上起到有效控制隔震层位移的目的。水平作用力方面，为了能够表示支座的隔震性能，引入“水平柔度”，水平柔度指支座在水平力下在水平方向上发生的变形，变形越大，柔度越大，在桥梁支座隔震中，支座的水平柔度大小与隔震性能不成正比。

(二)隔震技术发展概况

我国桥梁支座的发展始于 20 世纪 60 年代橡胶支座的问世打破了传统钢支座的思想，先后产生了板式橡胶支座、盆式橡胶支座和球型钢支座，并且广泛应用于公路桥、铁路桥上。最初，支座的设计理念来源于“静力设计”，通过确定桥梁所承受的水平力来计算支座截面尺寸，不同大小的地震力需使用不同截面尺寸的支座，结构所受水平力等于桥梁结构的自重与地震动峰值加速度之积，通过已有的水平力大小并利用静力方法计算支座本体的抗剪强度，抗剪强度与地震动的峰值加速度有关，当峰值加速度较大时，结构的水平力可达竖向力的 30%～40%，桥梁结构所用支座必须通过加大尺寸才能抵抗如此大的水平力，长期工程实践结果表明，支座过大的截面尺寸往往会造成桥墩支底剪坏等问题，随着科研领域的不断发展，减隔震支座的问世解决了这一问题。使用减隔震支座，不但可以抵抗地震力，而且有效改善支座与桥墩受力。

三、叠层橡胶支座的国内外研究现状

叠层橡胶支座技术当生育于上世纪 60 年代，由美国学者Kelly提出，早期的橡胶支座并未当做减隔震体系使用，仅作为传力构件设置在结构上下部之间。继 Kelly 提出叠层橡胶支座之后，美国学者Gent及Lindley通过试验研究分析了板式橡胶支座的受力性能，由于当初的试验条件有限，并未完全得出支座的受力特征，十年之后，Gent对板式橡胶支座的力学实验进行补充，得到板式橡胶支座明确的物理性能，如：支座的受力特点、刚度、弹性模量、形状系数等，为支座的设计与使用提供有力依据。直到 20 世纪以来，隔震支座的应用逐渐转向桥梁结构。1999 年，施卫星、李正升对某叠层橡胶支座的动态性能进行试验研究，分析了该橡胶支座的竖向刚度、剪切变形、阻尼比等特性，进一步确定了叠层橡胶支座的应用范围；2002 年张敏政、孟庆利等在前人已做研究的基础上对叠层橡胶支座的动态稳定性做了详细研究分析；由世歧等通过试验研究了温度变化对板式橡胶支座的力学性能影响，文中重点研究了低温环境下支座的工作机理；秦德生以工程力学为基础，分析计算了板式橡胶支座的抗压弹性模量及抗剪弹性模量；李冲、王克研究了支座的抗震滑移性能；李立峰、吴文朋等基于时程分析方法，以某中等跨径桥 梁为例，借助太平洋地震工程研究中心数据库选取 100 条地震波，对板式橡胶支座进行易 损性分析，以此来评价结构的位移响应。近些年来，不少学者提出新型节能橡胶支座，2012 年王斌、谭平等提出利用新型纤维增强工程塑料板的夹层橡胶隔震支座；2014 年田杰、张志达提出了一种低造价橡胶支座，通过聚酰胺纤维板改善支座的竖向性能与水平剪 切性能，不但保证了支座的良好隔震性能，同时降低了结构造价。

四、BZ系列减隔震橡胶支座的研究意义及结论

(一)BZ系列减隔震橡胶支座的研究意义

现有的减隔震技术效果显著，但成本过高，并且维修养护复杂，在中国乡镇等地区桥梁抗震方便存在结构富裕但经济成本过高等问题，因此，在已有的板式橡胶支座基础上研究一种减隔震效果相当，但是造价并不昂贵的减隔震支座具有实用价值。

目前的板式橡胶支座竖向承载力较低并且水平刚度较大，对于抗震效果并不理想，在此基础上改变钢板层及橡胶层厚度，橡胶的加工工艺等能制造出一种性能较好的支座——BZ减隔震橡胶支座。

同普通的板式支座相比，BZ系列减隔震橡胶支座具有以下优点：支座的竖向承载力相比于普通的板式支座显著提高，能够满足地震力下结构需要；相同尺寸的BZ减隔震橡胶支座通过增加支座内部橡胶层厚度；水平方向力学性能优越支座和梁体连接；避免了落梁情况的发生易于安装，易于维护，造价低廉。

(二)结论

本文通过对桥梁支座发展的纵向调查研究，同时对各种桥梁支座的横向对比研究得出以下结论：现有桥梁支座大部分能够满足一般地区抗震性需要。但对于中国目前现状来说，现有的桥梁缓隔震技术同实际需要并不完全匹配。BZ缓隔震橡胶支座应用于桥梁可以将实用性与经济性在现有的中国实际情况下较好结合，能够比较满足中国建设发展的实际国情，既能够满足安全性实用性需求，又能将造价控制在较低范围，同时满足我国抗震设计规范。

西安工业大学大学生创新创业训练项目(1070214034)。