桥梁减隔震装置的特点-研究成果

桥梁减隔震技术利用减隔震装置在满足正常使用功能的前提下，可达到延长结构周期、消耗地震能量从而降低结构地震响应的目的，减隔震装置包括阻尼器、减震卡榫、减隔震支座等。《桥梁减隔震装置通用技术条件》（JT/T 1062—2016）中将减隔震装置区分为刚性连接装置（RGDS）、隔震装置、减震装置3种。其中，刚性连接装置分为永久连接装置、熔断保护装置、速度锁定装置；隔震装置分为橡胶隔震装置和滑块隔震装置；减震装置分为位移相关型装置与速度相关型装置。这几种减隔震装置可以单独使用也可以配合一起使用，桥梁减隔震支座是减隔震装置中的一部分。

常用的桥梁减隔震装置包括：铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦型支座、液体黏滞阻尼器和金属阻尼器及各类新型的减隔震装置。其中运用最早最广泛的支座是铅芯橡胶支座，在铁路桥梁上常用的支座是摩擦摆式隔震支座，其原理是通过组合构件的摩擦副，在一定预紧力下组成一个可以发生相对滑动的装置，在地震作用下支座会发生类似钟摆的运动，通过这个运动来耗能，地震后支座在重力作用下自动回复到平衡位置。减震榫工作原理是：在正常使用状态下，梁体传来的竖向反力及梁端的转角位移仍由支座实现，但梁体的水平力及水平位移则由减震榫承受。地震发生后，梁体地震水平力将通过减震榫传至桥墩，如果减震榫能够提供较大的水平塑性变形，就可以起到良好的减震效果。

6.1.1.1　弹塑性钢阻尼装置

弹塑性钢阻尼装置又称为钢滞变阻尼器或软钢阻尼器。软钢阻尼装置主要是利用金属材料进入塑性状态后具有良好的滞回特性，并在塑性滞回变形过程中吸收大量能量的原理，制造出的一种减震装置，具有形状设计自由、加工简便、维修成本低等优点，同时软钢阻尼装置具有阻尼特性稳定、阻尼比受温度影响小、阻尼比高等特性。根据软钢阻尼器耗能时的主要受力状态，可将其划分为：扭转型、剪切型和弯曲型。目前，常用的弯曲型弹塑性钢阻尼器有：E型钢阻尼器、弧形钢阻尼器和短刚臂钢阻尼器（减震榫）等。

1.E型钢阻尼器

E型钢阻尼器（图6.1-1）由E型钢、连接组件、底座组件等组成，通过利用特殊钢材的塑性变形，进而产生阻尼效果。E型钢阻尼器具有安装灵活、结构简单、造价低、性能可靠、基本不受温度影响、阻尼效果好等优点。E型钢阻尼支座由E型钢阻尼器和普通支座组合构成，兼有竖向支撑和水平滞回耗能的作用。与E型阻尼器结合的支座可以为盆式橡胶支座或者球型支座，因此在竖向支撑上，完全具备支座的各项性能。在没有地震作用的情况下球型钢支座起正常的支座功能，而在有地震作用的情况之下，通过E型钢阻尼器的变形来吸收能量，从而达到减小地震冲击对桥梁破坏的目的。

图6.1-1　E型钢阻尼器

2.弧形钢阻尼器

与E型钢阻尼器类似，弧形钢阻尼器通过弧形钢材的塑性变形，产生阻尼效果。弧形钢阻尼支座由弧形钢阻尼器和普通支座组合构成，兼有二者的功能，达到减小地震冲击对桥梁破坏的目的。

图6.1-2　钢阻尼支座

3.减震榫

减震榫，或者称为短刚臂钢阻尼器，实际上是一种悬臂式钢棒阻尼器，其构想来源于锚栓式防落梁装置（图6.1-3）。桥梁抗震设计时，常在桥墩顶帽处设置锚栓以防止地震时落梁事故的发生，锚栓底端埋入墩顶固结，顶端伸入梁体预留的孔洞内，并留出一定的间隙。梁体在支座螺栓剪断后产生位移，触及锚栓实现限位。锚栓在限位过程中会发生塑性变形，实际上消耗了一部分地震能量。对其材料及结构形式进行合理的选择与设计，用于桥梁的减震控制。

将减震榫与活动支座组合使用，即构成了具有减隔震功能的支座系统（图6.1-4）。减震榫-活动支座与传统支座相比，特点在于其实现了支座的水平力传递与竖向支承功能的完全分离。梁体传来的竖向反力仍由支座承担，而梁体的水平反力及水平位移则由减震榫支承和控制。具体到铁路简支梁桥中，简支梁的工作状态由“固-活”的传统约束方式变成了两端弹性约束。

图6.1-3　锚栓式防落梁装置

图6.1-4　减震榫-活动支座系统

可以看出，减震榫与以往在桥梁支座处使用的金属阻尼器的不同之处在于其并不是作为一个附加装置提供额外的刚度和阻尼，而是承担梁体水平荷载的重要构件，在整个支座系统中起着至关重要的作用。减震榫一方面需在正常运营下满足列车对桥梁刚度的使用要求；另一方面又要在强震下能够产生足够的延性变形，达到降低地震力的目的。

图6.1-5　简支梁工作状态的改变

6.1.1.2　铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座

1.铅芯橡胶支座(www.xing528.com)

铅芯橡胶支座是在普通板式橡胶支座的基础上，在支座中心放入铅芯，以改善橡胶支座的阻尼性能的一种抗震支座（图6.1-6）。当橡胶支座发生水平变形时，整个铅芯由于被钢板约束而发生剪切变形，并通过橡胶提供水平回复力。它吸收耗散振动能量的功能是通过铅芯产生滞回阻尼的塑性变形来实现的。由于可以通过调节铅芯的直径或截面面积来选定阻尼，因而支座的设计具有较大灵活性。

图6.1-6　铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座是目前桥梁隔震设计中应用广泛的一种隔震装置。在铁路桥梁中采用铅芯橡胶支座时，必须采取可靠的横向限位措施，以确保行车安全。

2.高阻尼橡胶支座

目前，国内外大量采用铅芯橡胶支座作为隔震装置。但试验研究表明，铅芯橡胶支座的橡胶在低温条件下存在硬化现象，在温度和荷载（低周疲劳）作用下，支座中的铅芯会发生疲劳剪切破坏，使支座的阻尼性能大幅下降。有试验表明，5 000次水平小位移低周反复加载后，铅芯橡胶支座的阻尼下降约25%。同时，支座在生产和使用过程中，铅将对环境造成难以处理的污染。因此，近年来日本、欧美国家等研究采用高阻尼橡胶制造支座，用于减震、隔震装置，称之为高阻尼橡胶支座，其阻尼比可以做到0.15左右。

高阻尼橡胶支座由上下连接钢板、高阻尼橡胶板和加劲钢板组成，其结构形式和普通板式橡胶支座相同。其中，连接钢板用于和梁体及墩台连接。

6.1.1.3　摩擦摆式隔震支座和双曲面球型支座

1.摩擦摆式隔震支座

摩擦摆支座（Friction Pendulum Bearing，FPB）是一种有效的干摩擦滑移隔震体系，由于其具有良好的性能，得到了国内外学者较为深入的研究，并成功应用于许多桥梁、建筑物等实际工程中。摩擦摆支座主要包括上支座板、球型滑块、聚四氟乙烯板、下支座板及限位装置等。

图6.1-7　摩擦摆隔震支座

摩擦摆隔震支座利用钟摆原理，通过特定的弧面，延长结构自振周期，从而避开地震波的特征周期，同时利用高耐磨、耐热以及摩擦系数稳定可调的球面的往复滑动，来消耗地震波传到上部结构的能量，控制结构的地震响应并降低地震波传递来的破坏力。地震作用过程中，摩擦摆支座通过滑块与上部结构的铰接，使上部结构在地震时始终保持水平状态。地震结束后摩擦摆支座依靠自身重力自动复位，从而提高震后的维修加固效率，使桥梁尽快恢复正常使用功能。

后来，将摩擦摆支座系统进行了改进，研发出了复摩擦摆系统（Multiple Friction Pendulum System/Bearing，MFPB），或者称为双凹摩擦摆，以及三重隔震摩擦摆支座（TFPB），如图6.1-8所示。摩擦摆支座有固定型、双向型和单向型（纵向和横向）。在偶遇荷载激励下，如常遇地震，固定型和单向型通过限位装置限制支座的移动。当在设计地震力的作用下，限位装置解除限位，支座才开始发挥隔震的作用。MFPB具有上下2个支座板和1个铰接滑块，依靠摆动时上下滑块表面的低摩擦材料的摩擦来消耗能量。与FPB不同的是，MFPB具有上下2个滑动摩擦球面使其位移容量为相同参数的FPB的2倍。

摩擦摆隔震支座除以上形式之外还有很多种其他形式，各类摩擦摆支座按照滑动面的类型大致可划分为曲面式、沟槽式、曲面沟槽混合式3类。

2.双曲面球型减隔震支座

针对曲面式摩擦摆支座，同济大学和中国船舶重工集团公司第七二五研究所联合研发了具有我国自主知识产权的新型减隔震支座——双曲面球型减隔震支座（Double Spherical Seismic Isolation Bearing，DSSIB），如图6.1-9所示。它是通过对技术上非常成熟的球型滑动支座进行改造而开发的。该支座将普通球型滑动支座的平滑动面改为球面，包括一个具有滑动凹球面的上支座板、一个具有双凸球面的中支座板和一个具有转动凹球面的下支座板，滑动面和转动面都由不锈钢板和聚四氟乙烯板组成。

图6.1-8　复摩擦摆支座

图6.1-9　双曲面球型支座

双曲面球型减隔震支座的减隔震原理与FPB减隔震支座相同，均为摩擦钟摆原理。当地震发生且水平横向力超过预定值时，限位装置的抗剪销和安全螺钉被剪断，支座的横向限位约束被解除，大半径球面摩擦副横向便可自由滑动，通过摩擦阻力逐渐消耗地震能量，延长了结构周期，达到减震、隔震的目的。地震过后，结构自重又可形成回复力，使支座复位。通过调整支座转动半径可得到不同的减隔震效果，增加支座转动半径，减隔震效果增大，但同时会增大支座的水平位移。该支座相比FPB支座增加了中支座板的承载面积和曲率半径，提高了竖向承载力，具有减小支座的竖向位移的作用。

本章6.2节试验中采用的摩擦摆支座类型为双曲面球型减隔震支座。