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[案例] 抗震支座进化论 [复制链接]

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lusj 发表于 2013-10-21 11:45:30 |显示全部楼层 |          |
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文/资道铭1 H. E9 ]6 w! i
中国属于地震多发区,地震活动频度高、强度大、震源浅,分布广,是一个震灾严重的国家。地震灾害造成大量的建筑、桥梁结构破坏,引起较多的人员伤亡。桥梁作为震后抢险救灾的交通咽喉,修建时必须考虑抗震作用。+ i7 `& f/ U$ e8 a% g) ]( o3 m: s
传统结构抗震设计方法是依靠增加结构件自身的强度、变形能力来抗震的。该方法中,容许很大的地震能量从地面传递给结构,而抗震设计主要考虑的问题就是,如何为结构提供抵抗这种地震作用的能力。支座也主要是使用增大水平抵抗能力的抗震类型钢支座。
+ x0 u  |% o( R. i! ?. A$ S( [/ |( o" `2008年汶川地震后,交通部制定新的桥梁抗震规范——《公路桥梁抗震设计细则》(JTGT-B02-01-2008)。相对于89版桥梁抗震规范,新规范对桥梁的抗震要求有很大的提高,计算所选取的系数提高了好几倍。按新规范,在7度以上使用传统的用盆式或球形支座进行抗震计算,一般是无法通过规范要求的。因此,在高震区不适合使用普通(或抗震型)盆式橡胶支座或球形支座。
# M8 D. h  }/ ^5 Q+ K) z8 t6 f3 Q近几十年来,为了提高结构的抗震性能,一些研究人员提出的一些新的抗震技术,主要包括减隔震技术、被动控制技术、主动控制技术及混合控制技术等。其中,减隔震技术是指通过采用减隔震装置,尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来,大大减少传递到上部结构的地震力和能量。: Z# `0 a" t4 b. B; O: A, b- K
一些西方发达国家很早就开始研究使用减隔震装置对桥梁、建筑进行抗震设计,并且在实践中表明,铅芯隔震橡胶支座在地震中对桥梁、建筑表现出良好的保护作用。在5•12地震之后,桥梁抗震规范《公路桥梁抗震设计细则》中也增加了使用铅芯橡胶支座进行减隔震设计相关要求的章节。
+ D4 S; @* d) P0 e( J! l桥梁隔震技术主要是通过在桥墩及梁体之间设置水平刚度较小的隔震装置。地震时,桥梁结构的水平变形主要集中在隔震层,以减小桥墩墩顶变形,保护了桥墩的安全。
. R( Y" U, y6 y; x/ K6 J& q普通橡胶支座也是一种水平刚度较小的柔性支承,但由于其结构及性能的局限性,并不适宜用于地震区。相对于普通橡胶支座,铅芯隔震橡胶支座在结构、性能、生产制作、设计使用等方面,都具有无可比拟的复杂性及高难度性。, c% c( V$ P3 q6 H  R  B2 o
柳州东方工程橡胶制品有限公司生产了一款32件平面尺寸为1130×1130毫米的铅芯隔震橡胶支座,用于西咸机场高速渭河特大桥,经历了2008年5•12汶川大地震的考验,同一座桥使用了铅芯隔震橡胶支座与使用普通支座的地震反应明显不同,前者对桥梁起到了很好的保护作用。, y8 b- e+ \" @7 k. L* p/ T
铅芯隔震橡胶支座与普通橡胶支座相比,在各方面都有着很大的区别。) N- Z$ Q% F& ?

1 K( d! D. d/ [% w

产品结构区别


: S1 G7 \# r$ A+ N- ?% E
" W/ V& `; ~4 \0 l铅芯隔震橡胶支座由橡胶层、连接钢板、内部加劲钢板等迭层硫化粘结而成,中间再灌有经过设计、有预定大小的铅芯棒。而普通的橡胶支座只含有橡胶层和内部加劲钢板。3 C5 p0 w) }8 C- c; S% _
铅芯隔震橡胶支座比普通橡胶支座具有更高弹性变形及复位的能力;其连接钢板通过外连接钢板及地脚螺栓与桥墩、桥梁相连接,可以更可靠地传递水平地震力;铅芯隔震橡胶支座中的复合结构能增大支座的阻尼和吸收能量(图1)。
, ?9 K2 }* G' ?$ n. u9 a* Y& f" f0 W7 [% g

性能及要求区别


/ q9 o" L) E/ F4 u4 L9 ~* j& b  f* R
铅芯隔震橡胶支座采用特殊的胶料配方,比普通橡胶支座有更好的静力和动力特性。包括耐久性能、温度稳定性能、竖向承载性能,以及合适的刚度及阻尼、大变形能力和动力参数的稳定性。如图2所示,铅芯隔震橡胶支座水平滞回曲线比普通橡胶支座的面积要大,面积的大小反映了支座阻尼的大小。普通橡胶支座阻尼比在5%以下,铅芯隔震橡胶支座阻尼比一般可在15%以上,因此铅芯隔震橡胶支座能吸收更多的地震能量。' A* k. Q1 _* ?$ w5 J5 k
普通橡胶支座极限抗剪应变只要求达到200%,而为了抵抗超出预期的地震,铅芯隔震橡胶支座在技术性能上需要有一定的安全储备,剪应变能力要求达300%以上。如此高性能要求,对生产企业的生产制作工艺、生产控制环节提出了近乎苛刻的要求。/ N  Z. K7 A6 W2 J8 h
设计区别
5 }# `: c: _+ S& q; I. T6 @5 }) _2 k& {/ L
普通橡胶支座使用非常简单,设计院只要依据计算出的承载力、水平位移即可对支座进行选取,而且支座本身的设计比较简单。而对于铅芯隔震橡胶支座,由于其水平性能的力与位移不是简单的线性关系,因此支座本身的设计就很复杂;而用于桥梁上,由于要考虑其地震时的动力特性,设计就更加复杂。
2 l9 s8 t; N% a) A  H" m1 T- c& [% [& D) g% N

使用区别


( Q6 v  r) z4 d0 t9 i* [3 o. l0 Z# R$ u" R
对于普通橡胶支座,梁体仅仅是放置在支座面上,支座的剪切变形只能靠桥梁、桥墩与支座之间的摩擦力,而地震发生时,摩擦力就不足以克服巨大的水平力,而将使梁体移位或发生落桥的现象。因此,普通橡胶支座不适合在地震区使用。( R- u( L' G; X, R/ y9 ~
铅芯隔震橡胶支座通过地脚螺栓与墩、梁连接紧固,这样可以避免落梁的发生。一般说来,铅芯隔震橡胶支座可以大幅减少地震力对桥梁的损坏,有以下三个方面的原因:(1)可以延长结构的周期,大幅减小桥梁上部结构加速度和位移。(2)每一个墩上的支座既是固定支座,又是活动支座,地震力可以分配到每个墩上去,因此具有分散地震力的作用。(3)由于具有大的阻尼比,可以耗散地震输入的能量。铅芯隔震橡胶支座适合用于7度尤其是8度以上高烈度震区。2 j0 q0 V" d* p4 a" N0 c
通过对高震区的桥梁进行计算分析表明,使用了铅芯隔震橡胶支座,可以大幅降低上部结构对墩底的剪力及弯矩,其降幅可达40%~80%。" \7 N! f9 o" g  I+ I
因此,在高烈度地区设置铅芯隔震橡胶支座,可以减少桥梁结构断面,减少材料用量,降低结构自重,从而降低桥梁的总体造价。
) R6 E5 a, I# A! c1 h; }# {1 |铅芯隔震橡胶支座有便于安装、少维护、使用寿命长等优点。; n5 f, z6 @/ h% `' {6 s
综上所述,铅芯隔震橡胶支座与普通橡胶支座相比,虽然都利用了橡胶的柔性,但两者对橡胶的性能及橡胶与金属的黏着要求完全不一样,前者比后者要求更高;在结构、设计上,铅芯隔震橡胶支座比普通橡胶支座也更为复杂,这其中包含了许多复杂的计算与大量的试验研究成果。; D- K& P# _1 D  W! j4 ~
铅芯隔震橡胶支座结构看似简单,实际上是一款渗透了实践与技术的高科技产品,它包含了普通橡胶支座所有的功能,并且可以很好解决高震区桥梁抗震的问题,这是普通橡胶支座及传统抗震技术不可比拟的,在高震区具有极大的推广应用价值。■+ M' U+ p& T" M$ K4 K" ~
(作者单位/柳州东方工程橡胶制品有限公司). g7 y5 A; t: r4 U
(编辑/魏薇)
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