重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：桥梁结构物在地震作用下，主梁的运动会导致结构的损伤从而引发各种工程灾害。减隔震技术是以设置隔震体系及减震耗能措施为思想，通过各种减隔震装置来达到减轻桥梁结构对地震动的响应，以保护结构或构件不受到较大的损伤。减隔震措施一般是允许主梁和桥墩有一定的相对位移，来延长结构的自振周期或通过相对位移消耗地震能量。目前各种减隔震装置已广泛用于桥梁工程中，本文将简单介绍几种桥梁工程中常见的减隔震装置，并利用有限元软件进行模拟，分析铅芯橡胶支座和摆动摩擦支座对连续梁桥和斜梁桥的减隔震效果。
关键词：减隔震技术；地震灾害；桥梁工程；连续梁桥；斜梁桥
1 减隔震技术的原理
地震发生时，桥梁结构受地震动能量的输入而产生振动响应，若地震动的卓越周期与桥梁的自振周期相吻合时，共振的危险就会随之产生。因而改变结构的自振周期以避开地震动的卓越周期是减隔震的一大思想，另一种减隔震的思想是利用措施使得结构能够在遭受地震动时，吸收或消耗地震动的能量来减小结构的地震动反应。改变自振周期可以通过改变结构的整体刚度来实现；对于后者，利用结构的高阻尼构件消耗振动能量的特性，减小桥梁中其他构件的能量的输入，同时阻尼器装置还可以实现对结构的位移的限制作用[1]。
目前较常见的减隔震装置主要有以下几类：高阻尼支座、摆动摩擦支座、滑动支座、粘滞阻尼器以及一些吸能耗能的构造等[2]。
2 减隔震装置介绍
2.1 铅芯橡胶支座
铅芯橡胶支座在中心处设置高纯度的铅芯,在正常使用过程中，能够像普通橡胶支座一样起到连接支承的作用[3]。遭遇地震时，上部结构传递的水平力对支座产生剪切作用，这种剪切变形对于普通橡胶支座的梁会产生位移甚至会导致落梁[4]。而铅芯能够作为抵御剪切变形的构件，整个橡胶支座的滞回延性较好，可以消耗更多的地震能量[5]。铅芯的另一个作用在于，利用其再结晶的自恢复过程，来实现普通橡胶支座无法实现的震后复位的功能[6]。
考虑到成本，铅芯橡胶支座往往不能在全桥大量地使用。但铅芯橡胶支座对整个桥梁的抗震性能，尤其是横桥向的抗震产生明显的影响，同时考虑到其相比普通橡胶支座高度较高，因此在满足成本要求下，还是以铅芯橡胶支座的布设为优先[7]。
另外，高阻尼橡胶支座也是一种利用橡胶进行阻尼减震的支座形式，其使用的橡胶具备较高的粘性，阻尼较高能有效地减小地震能量的输入[8]。
2.2 摆动摩擦支座
目前越来越多的减隔震研究，都不止关注减隔震装置遭遇地震时的抵御震害的能力，还对震后的恢复功能给予更多的重视。其中，摆动摩擦支座是一种利用了内部球面在水平向时的摆动能力，以及球面摩擦产生的阻尼效果来进行减隔震的装置。当地震作用使得摆动摩擦支座限制装置受剪破坏后，其便可发挥抗震作用，桥梁的上部结构随支座的摆动而增大振动的周期、减小整体的自振周期，这样就达到了隔离地动作用的效果；在球面与支座内部摩擦的过程，达到了耗能减震的效果。
经历地震后，该支座也有着较好的恢复功能，能够仅仅依靠内部的球面结构和桥梁自身重力来达到主动地恢复到初始状态。为了发挥摆动支座的减隔震效果，必须要求其适用的桥梁上部结构有足够大的自重来增大摩擦耗能作用，因此该支座常用在跨径较大的桥梁中[9]。
2.3 粘滞阻尼器
粘滞阻尼器的减震效果与梁体运动速度是相关的，依靠提升结构阻尼来对能量进行消耗。其工作原理与活塞类似，当发生较大的梁体位移速度时，利用阻尼介质通过油缸节流孔的阻力，通过连接杆传递给梁体或桥墩，从而达到抗震目的。并且该种阻尼器的阻尼系数可以进行大幅度的调整，故适用范围较广[10]。
2.4 新的减隔震方法
许多学者对不同的工程情形，提出了很多不同以往的的减隔震思路与方法。如针对高墩桥梁桥柔性过大，无法满足通过梁墩间足够相对位移以进行耗能减震的目的的情形，文献[11]中提出了将减隔震支座移至桥墩的中部，将高墩设计为上半部分与上部结构一体的结构。削弱了高墩柔性、为耗能装置提供了必要的相对位移，又减小了支座地震时产生的水平力对墩底及桩顶的弯矩作用[11]。
另外，在许多研究中，学者们对两种甚至多种减隔震措施进行了相对合理的组合，以期不同减隔震措施能够共同作用并发挥它们的优势。
3 连续梁桥减隔震的有限元模拟
在Midas Civil中建立一个32+42×4+32m的六跨连续箱梁桥。主梁采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土；铅芯橡胶支座和摆动摩擦支座用Midas Civil中的一般连接特性输入参数来模拟。采用反应谱法对结构的地震动反应进行分析。地震动输入方向为连续梁桥的顺桥向方向，以及横桥向方向。振型组合的类型选择SRSS组合方式。
对连续梁桥设置铅芯橡胶支座、摆动摩擦支座的地震响应进行分析。并将它们同未设置减隔震支座的模型进行对比，可以在三种模型的自振周期和频率数据中得出，两种减隔震措施都能够延长结构自振周期，且摆动摩擦支座的效果要优于铅芯橡胶支座；两种支座的模型中墩底的剪力都有明显的降低，但在个别墩底出现了剪力比减隔震前还大的情况，这种情况的出现应该同减隔震装置在桥梁中的布置形式有关，在个别墩柱上设置了非减隔震支座，在地震动作用下主梁的地震响应可能会由设置非减隔震支座的墩柱独自承担。
4 斜交桥减隔震
斜梁桥的支撑轴线与梁的轴线不成正交关系，因此导致斜梁桥的受力有弯扭耦合的特点[12]。较大的扭转效应极易会有支撑体系的破坏。在地震作用下，梁体易与其他梁体或桥台之间发生碰撞。不沿着轴线的作用力导致了桥面的平面转动，进而会有落梁的震害发生。因此斜梁桥抗震设计中挡块是相当重要的设计，利用弹塑性挡块不仅可以防止运动落梁，还可以有效减小梁体的地震响应[13]。此外，加大斜梁桥的伸缩缝宽度以减轻构件的碰撞，利用带有拉索的支座以限制位移等措施，都能够较好地解决地震落梁的问题[14]。
5 结论和展望
在桥梁工程中，常用的减隔震措施是使用减隔震支座，较常见的有铅芯橡胶支座、摆动摩擦支座等。此外，连接主梁之间或连接梁与墩之间的粘滞阻尼器，也可以很好地限制地震动导致的主梁位移。在防止尤其是斜梁桥中落梁震害的挡块的研究上，可以结合减隔震措施的思路，减小主梁与挡块的撞击作用，保护挡块不被破坏，从而保证发生地震时不致落梁。
目前应用的各种减隔震措施各有优缺点，在未来的研究中可以将各种措施合理结合，不仅能够弥补各自的应用限制，能够将更好地发挥各自的减隔震效果。
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