1 引言 

席卷印度洋沿岸的海啸刚刚过去不久,一场高达里氏8.5级的地震接踵而至,时时提醒人们大自然的残酷与无情。强烈地震常常以其猝不及防的突发性和巨大的破坏力给社会经济发展、人类生存安全和社会稳定、社会功能带来严重的危害。近年来,国内外发生几次大地震,作为生命线工程的桥梁遭受了严重破坏,在阪神大地震中,专门对支座的破坏及其与上部、下部结构破坏之间的关系进行了详细调查,调查表明,支座对整个桥梁结构的影响十分重要,在实际地震作用下,支座与上部、下部结构的作用比较复杂,支座的破坏往往会改变上部、下部结构之间的传力状况,也改变整个结构的响应。因此,在桥梁结构的抗震设计中,必须对支座在地震作用下的性能有明确的认识,才能正确把握结构的响应。另外,由于减隔震支座是外设装置而不是通过结构本身达到耐震要求的,故对其耐震性能的检测修复也只限于外设装置,这比检测或修复结构本身要方便快捷得多,能够确保地震后的快速修复,这对地震后尽快恢复桥梁的交通具有十分重要的意义。

2 抗震机理

随着科学技术的迅速发展,对地震机制、结构破坏机理的 研究和认识越来越深入,抗震理论和抗震措施不断取得新的突破。为了更有效地保护结构及内部设备、仪器、网络及装饰物等不受破坏,十九世纪末、二十世纪初产生了减震、隔震技术。减震、隔震技术是通过采用减震、隔震装置将结构(或部件)尽可能与地震地面运动(或支座运动)隔离开来,从而大大减少传递到上部结构的地震力和能量。而传统结构的抗震设计方法是依靠结构构件自身较高的强度来抵御地震作用和结构构件自身的较小的变形来吸收地震能量,它允许有很大的地震力和地震能量从地面传递给结构。尽管适当选择塑性铰的位置和仔细设计构件的细部构造可以确保结构的整体性 和防止结构倒塌的发生,但结构受迫震动及构件的损伤是不可避免的。因此隔震建筑物比传统的非隔震建筑物具有更高的安全性。目前,隔震已成为一种有效的降低地震力的方法。

3 铅芯橡胶支座(LRB)的介绍

铅芯橡胶支座(LRB)是新西兰学者在1975年发展的,它是由普通叠层橡胶支座在其中间竖直地灌入适当直径的的铅芯形成(图1),利用铅芯在地震动过程中弹塑性性能来达到耗散地震能量的效果。由于铅的屈服应力较低(约7MPa),并在塑性变形条件下具有较好的疲劳特性,被认为是一种较好的阻尼器。铅芯必须紧固在孔中,并稍微挤进橡胶层中,因此,铅芯的体积往往比中心孔的体积要大些,使铅芯能牢固地压入孔中,当橡胶支座发生水平变形时,整个铅芯由于被钢板约束而强迫发生剪切变形。

铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性,其初始剪切刚度可以达到普通叠层橡胶支座刚度的10倍以上,而屈服后刚度接近与普通叠层橡胶支座刚度。由于LRB构造比较简 单,能够提供较大阻尼,可以单独作为桥梁减隔震支座使用,在新西兰、美国和日本被广泛用于桥梁和建筑物的减、隔震。

4 国内外铅芯橡胶支座(LRB)的研究现状

国内外将减震、隔震支座应用于结构震动控制的经验表明,合理选择减震、隔震支座动力特性参数是减小结构地震响应的关键所在,要达到最优的减震目的并为桥梁延性抗震设计提供指导,需要对支座动力特性对桥梁的地震响应的影响特点与规律进行深入的研究。近十年来,有关LRB的研究蓬勃开展,方兴未艾。这里就LRB的若干方向的近期研究状况作些总结和评述。

4.1 LRB的非线性地震反应分析和非线性动力学性特态

FerraioliM等研究了高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座隔震结构的弹塑性地震反应,考虑支座的滞回特性和上部结构的弹塑性,然后把材料非线性因素当作等效线性化系统的虚拟力,用复模态分解和迭代方法计算模态反应。朱东升等对一座采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条具有相同反应谱、且时域内强度包线形状相似的应对地震动的全过程十分敏感;LRB是一种有效的隔震装置;LRB的初始屈服力对隔震效果影响较大。王丽、阎贵平等对LRB隔震桥梁的减震效果进行了研究,分别采用非线性水平和转动弹簧单元来模拟减隔震支座和桥墩延性铰的非线性性能,首次把支座和桥梁结构纳入一个系统中,并考虑其相互影响和相互作用。利用大型通用结构分析软件(ANSYS),对采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条实际地震波进行 时程分析,系统地讨论了隔震桥梁的减震性能,得出在设计减 隔震桥梁时,应考虑将非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置上,避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服。

4.2 LRB的简化分析方法

从隔震结构的的设计来看,建立满足工程设计精度要求的实用简化分析方法是很有意义的。TsaiHC等研究了铅芯橡胶支座非线性隔震结构的基于反应谱的地震反应分析,他们首先建立实际模型和等效线性单自由体模型,由震动台试验输入大量地震记录,比较两个模型的最大位移和加速度反应,从而识别出等效结构的等效刚度、等效阻尼比,同时得到了等效刚度与最大位移的关系。Hwang等对LRB隔震桥梁的等效线性化设计方法及隔震桥梁的等效阻尼比进行了研究,指出现行等效刚度和等效阻尼比计算方法中存在的问题,建议了新的计算公式。吴兵、庄军生等系统研究了铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数与其几何结构及外加动力荷载特性的关系。研究结果表明:铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数(水平耗能、等效刚度及等效阻尼比)主要由其本身的几何构造及组成材料决定,且在往复加、卸载循环中具有较好的稳定性。韩学敏、钟铁毅等对铅芯橡胶支座在铁路桥梁抗震中的应用进行了研究,他们以4座刚度不同的桥墩为研究对象,通过输入不同的地震激励,比较分析了简化固结模型与梁-墩-基础计算模型之间的差异;计算铅芯橡胶支座对不同刚度结构、不同地震波的减震效果,并对计算结果进行了研究分析,取得了一些有价值的结果。基于反应谱的隔震结构的分析,是一个比较复杂的问题,在设计反应谱(加速度和位移反应谱)、非线性隔震结构的等效模型等方面还有待研究。

4.3 LRB的土-结构相互作用

隔震结构一般都建在硬土场地,研究者通常将隔震结构 的地基视为无限刚度,但研究隔震结构的土-结构相互作用(soil-structureinteraction,SSI)仍然是有意的。而且软土地区也可能需要建造一些隔震结构,比如隔震桥梁,这需要与新型隔震装置的开发和先进技术的应用相结合来解决。刘云贺、赵晓娟等探讨了地震作用下桩基础刚度对采用铅芯橡胶支座(LRB)桥梁的减震效果的影响,提出以墩底弹簧约束 模型模拟群桩基础的方法,建立了考虑地基刚度影响的桥梁非线性动力分析模型。算例的非线性时程分析结果表明:结构中如采用刚性基础假设,即忽略土-结构相互作用,对普通橡胶支座(RB)和铅芯橡胶支座(LRB)都会使设计结果偏于安全,尤其对LRB而言富裕度较大。

4.4 LRB的试验

试验研究在隔震技术发展中的重要性是不言而喻的,多年来研究者在隔震结构、隔震装置的试验、开发应用方面作出 了重要的贡献。刘文光、杨巧荣等对建筑用铅芯橡胶隔震支座温度性能进行了研究,在试验结果的基础上,提出了支座屈服后刚度及屈服载荷的温度修正方程。

5 关于铅芯橡胶支座目前尚需进行如下工作

1.铅芯橡胶支座的构造与性能关系的研究,确定相应的设计参数和方法,并制定出产品标准。 

2.由于LRB的力-位移的滞回特性,精确的分析必须采用非线性分析,计算量相当大,且滞回曲线本身往往具有一定的误差。若将LRB以常值的刚度与阻尼来模拟,显然会带来很大的误差,因此关于减隔震结构的数值分析方法,若能建立一种特殊的隔震支座单元,借用简化分析中的一些做法,从总体性能上构造隔震支座单元,模拟其刚度和阻尼性能,而避免了直接离散实际的支座而导致的巨大的计算量,则会有很大的现实意义。 

3.结构的抗震设计中存在大量的不确定性,如外部环境(载荷和场地)、结构本身(构件材料性能、截面几何参数、构件抗力)以及计算模型的不确定性等。引入随机理论、可靠度理论来分析LRB是必要的,从而可以深入研究考虑不确定性因素对结构的动力反应和可靠度的影响,对铅芯橡胶支座的减震与桥梁的动力响应特性关系的进行分析,找出地震波特性、铅芯橡胶支座的特性和桥梁下部结构的特性及场地特性的关系,确定铅芯橡胶支座在桥梁中的适用范围。 

4.为能充分发挥LRB的减震作用,还需进行减震桥梁细部构造设计的研究。