1 引言
席卷印度洋沿岸的海嘯剛剛過去不久,一場高達里氏8.5級的地震接踵而至,時時提醒人們大自然的殘酷與無情。強烈地震常常以其猝不及防的突發性和巨大的破壞力給社會經濟發展、人類生存安全和社會穩定、社會功能帶來嚴重的危害。近年來,國內外發生幾次大地震,作為生命線工程的橋梁遭受了嚴重破壞,在阪神大地震中,專門對支座的破壞及其與上部、下部結構破壞之間的關系進行了詳細調查,調查表明,支座對整個橋梁結構的影響十分重要,在實際地震作用下,支座與上部、下部結構的作用比較復雜,支座的破壞往往會改變上部、下部結構之間的傳力狀況,也改變整個結構的響應。因此,在橋梁結構的抗震設計中,必須對支座在地震作用下的性能有明確的認識,才能正確把握結構的響應。另外,由于減隔震支座是外設裝置而不是通過結構本身達到耐震要求的,故對其耐震性能的檢測修復也只限于外設裝置,這比檢測或修復結構本身要方便快捷得多,能夠確保地震后的快速修復,這對地震后盡快恢復橋梁的交通具有十分重要的意義。
2 抗震機理
隨著科學技術的迅速發展,對地震機制、結構破壞機理的 研究和認識越來越深入,抗震理論和抗震措施不斷取得新的突破。為了更有效地保護結構及內部設備、儀器、網絡及裝飾物等不受破壞,十九世紀末、二十世紀初產生了減震、隔震技術。減震、隔震技術是通過采用減震、隔震裝置將結構(或部件)盡可能與地震地面運動(或支座運動)隔離開來,從而大大減少傳遞到上部結構的地震力和能量。而傳統結構的抗震設計方法是依靠結構構件自身較高的強度來抵御地震作用和結構構件自身的較小的變形來吸收地震能量,它允許有很大的地震力和地震能量從地面傳遞給結構。盡管適當選擇塑性鉸的位置和仔細設計構件的細部構造可以確保結構的整體性 和防止結構倒塌的發生,但結構受迫震動及構件的損傷是不可避免的。因此隔震建筑物比傳統的非隔震建筑物具有更高的安全性。目前,隔震已成為一種有效的降低地震力的方法。
3 鉛芯橡膠支座(LRB)的介紹
鉛芯橡膠支座(LRB)是新西蘭學者在1975年發展的,它是由普通疊層橡膠支座在其中間豎直地灌入適當直徑的的鉛芯形成(圖1),利用鉛芯在地震動過程中彈塑性性能來達到耗散地震能量的效果。由于鉛的屈服應力較低(約7MPa),并在塑性變形條件下具有較好的疲勞特性,被認為是一種較好的阻尼器。鉛芯必須緊固在孔中,并稍微擠進橡膠層中,因此,鉛芯的體積往往比中心孔的體積要大些,使鉛芯能牢固地壓入孔中,當橡膠支座發生水平變形時,整個鉛芯由于被鋼板約束而強迫發生剪切變形。
鉛芯橡膠支座具有較好的滯回特性,其初始剪切剛度可以達到普通疊層橡膠支座剛度的10倍以上,而屈服后剛度接近與普通疊層橡膠支座剛度。由于LRB構造比較簡 單,能夠提供較大阻尼,可以單獨作為橋梁減隔震支座使用,在新西蘭、美國和日本被廣泛用于橋梁和建筑物的減、隔震。
4 國內外鉛芯橡膠支座(LRB)的研究現狀
國內外將減震、隔震支座應用于結構震動控制的經驗表明,合理選擇減震、隔震支座動力特性參數是減小結構地震響應的關鍵所在,要達到最優的減震目的并為橋梁延性抗震設計提供指導,需要對支座動力特性對橋梁的地震響應的影響特點與規律進行深入的研究。近十年來,有關LRB的研究蓬勃開展,方興未艾。這里就LRB的若干方向的近期研究狀況作些總結和評述。
4.1 LRB的非線性地震反應分析和非線性動力學性特態
FerraioliM等研究了高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座隔震結構的彈塑性地震反應,考慮支座的滯回特性和上部結構的彈塑性,然后把材料非線性因素當作等效線性化系統的虛擬力,用復模態分解和迭代方法計算模態反應。朱東升等對一座采用鉛芯橡膠支座(LRB)隔震的橋梁輸入了多條具有相同反應譜、且時域內強度包線形狀相似的應對地震動的全過程十分敏感;LRB是一種有效的隔震裝置;LRB的初始屈服力對隔震效果影響較大。王麗、閻貴平等對LRB隔震橋梁的減震效果進行了研究,分別采用非線性水平和轉動彈簧單元來模擬減隔震支座和橋墩延性鉸的非線性性能,首次把支座和橋梁結構納入一個系統中,并考慮其相互影響和相互作用。利用大型通用結構分析軟件(ANSYS),對采用鉛芯橡膠支座(LRB)隔震的橋梁輸入了多條實際地震波進行 時程分析,系統地討論了隔震橋梁的減震性能,得出在設計減 隔震橋梁時,應考慮將非彈性變形和耗能主要集中在減隔震裝置上,避免橋墩屈服先于減隔震裝置屈服。
4.2 LRB的簡化分析方法
從隔震結構的的設計來看,建立滿足工程設計精度要求的實用簡化分析方法是很有意義的。TsaiHC等研究了鉛芯橡膠支座非線性隔震結構的基于反應譜的地震反應分析,他們首先建立實際模型和等效線性單自由體模型,由震動臺試驗輸入大量地震記錄,比較兩個模型的最大位移和加速度反應,從而識別出等效結構的等效剛度、等效阻尼比,同時得到了等效剛度與最大位移的關系。Hwang等對LRB隔震橋梁的等效線性化設計方法及隔震橋梁的等效阻尼比進行了研究,指出現行等效剛度和等效阻尼比計算方法中存在的問題,建議了新的計算公式。吳兵、莊軍生等系統研究了鉛芯橡膠支座等效線性分析模型參數與其幾何結構及外加動力荷載特性的關系。研究結果表明:鉛芯橡膠支座等效線性分析模型參數(水平耗能、等效剛度及等效阻尼比)主要由其本身的幾何構造及組成材料決定,且在往復加、卸載循環中具有較好的穩定性。韓學敏、鐘鐵毅等對鉛芯橡膠支座在鐵路橋梁抗震中的應用進行了研究,他們以4座剛度不同的橋墩為研究對象,通過輸入不同的地震激勵,比較分析了簡化固結模型與梁-墩-基礎計算模型之間的差異;計算鉛芯橡膠支座對不同剛度結構、不同地震波的減震效果,并對計算結果進行了研究分析,取得了一些有價值的結果。基于反應譜的隔震結構的分析,是一個比較復雜的問題,在設計反應譜(加速度和位移反應譜)、非線性隔震結構的等效模型等方面還有待研究。
4.3 LRB的土-結構相互作用
隔震結構一般都建在硬土場地,研究者通常將隔震結構 的地基視為無限剛度,但研究隔震結構的土-結構相互作用(soil-structureinteraction,SSI)仍然是有意的。而且軟土地區也可能需要建造一些隔震結構,比如隔震橋梁,這需要與新型隔震裝置的開發和先進技術的應用相結合來解決。劉云賀、趙曉娟等探討了地震作用下樁基礎剛度對采用鉛芯橡膠支座(LRB)橋梁的減震效果的影響,提出以墩底彈簧約束 模型模擬群樁基礎的方法,建立了考慮地基剛度影響的橋梁非線性動力分析模型。算例的非線性時程分析結果表明:結構中如采用剛性基礎假設,即忽略土-結構相互作用,對普通橡膠支座(RB)和鉛芯橡膠支座(LRB)都會使設計結果偏于安全,尤其對LRB而言富裕度較大。
4.4 LRB的試驗
試驗研究在隔震技術發展中的重要性是不言而喻的,多年來研究者在隔震結構、隔震裝置的試驗、開發應用方面作出 了重要的貢獻。劉文光、楊巧榮等對建筑用鉛芯橡膠隔震支座溫度性能進行了研究,在試驗結果的基礎上,提出了支座屈服后剛度及屈服載荷的溫度修正方程。
5 關于鉛芯橡膠支座目前尚需進行如下工作
1.鉛芯橡膠支座的構造與性能關系的研究,確定相應的設計參數和方法,并制定出產品標準。
2.由于LRB的力-位移的滯回特性,精確的分析必須采用非線性分析,計算量相當大,且滯回曲線本身往往具有一定的誤差。若將LRB以常值的剛度與阻尼來模擬,顯然會帶來很大的誤差,因此關于減隔震結構的數值分析方法,若能建立一種特殊的隔震支座單元,借用簡化分析中的一些做法,從總體性能上構造隔震支座單元,模擬其剛度和阻尼性能,而避免了直接離散實際的支座而導致的巨大的計算量,則會有很大的現實意義。
3.結構的抗震設計中存在大量的不確定性,如外部環境(載荷和場地)、結構本身(構件材料性能、截面幾何參數、構件抗力)以及計算模型的不確定性等。引入隨機理論、可靠度理論來分析LRB是必要的,從而可以深入研究考慮不確定性因素對結構的動力反應和可靠度的影響,對鉛芯橡膠支座的減震與橋梁的動力響應特性關系的進行分析,找出地震波特性、鉛芯橡膠支座的特性和橋梁下部結構的特性及場地特性的關系,確定鉛芯橡膠支座在橋梁中的適用范圍。
4.為能充分發揮LRB的減震作用,還需進行減震橋梁細部構造設計的研究。
