双曲面球型减隔震支座的应用

人气：3466   发布时间：2020-03-05

工程结构的减隔震技术是指通过采用减隔震装置来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。使地震作用下大部分能量集中于减隔震装置，而降低下部结构所承受的惯性力和延性需求。以在桥梁抗震中采用减隔震支座为例，由于采用了这种新技术，一方面提高了桥梁结构的抗震性能，另一方面也降低了造价。甚至在有些情况下，采用这些减隔震技术是解决实际桥梁结构抗震问题的唯一有效途径。

一、双曲面球型减隔震支座概述

双曲面球型减隔震支座是一种新开发的减隔震钢支座，由于其与橡胶类减隔震支座相比具有构造简单、承载力大、耐久性好等优点，自从被开发以来，其在桥梁减隔震设计中已经得到了越来越多的应用，特别是在一些跨径较大的桥梁中得到了较广泛的应用。双曲面球型减隔震支座的设计参数主要是滑动球面与转动球面的球心距以及滑动球面的摩擦系数，球心距和摩擦系数取值的不同，支座所达到的减隔震效果不同。为了得到较为理想的减隔震效果，需要研究支座设计参数对减隔震效果的影响，从而使工程设计人员在不同条件下选用该支座时能够取用较合理的支座设计参数，从而得到较为理想的减隔震效果。

二、桥梁减隔震支座的设计思想

减隔震支座设计的目的是使地震作用下大部分能量集中于减隔震支座，而降低下部结构所承受的惯性力和延性需求。减隔震支座设计需要将桥梁受到的地震作用进行集中，由减隔震支座承受大部分的能量冲击，从而减小桥梁下部结构的负荷。桥梁减隔震控制措施可以分为被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制、智能控制等类别，其中被动控制没有外部能量输入，主动控制存在外部能量输入，后三种控制均有部分能量输入。

多质点体系在受到地震作用条件下的震动方程由结构质量、反应位移、阻尼、速度、刚度矩阵、加速度矩阵等因素组成，由此可见桥梁结构在受到地震作用条件下的震动反应与结构的刚度、质量等因素有关。主动控制借助外界能量来提供结构控制力，如果桥梁属于大跨度结构，需要的外界能量很大，在具体实施过程中存在一定的难度，通常采用被动控制来进行减隔震支座的设计。被动控制是借助消能元件等设施来吸收地震作用的能量，使桥梁下部结构承受的地震作用能量降低到可承受范围之内，以实现减振隔振的目的。

采用被动控制来设计减隔震支座的方法主要有两点，一点是对墩台与梁结合处设置铅芯叠层橡胶支座、高阻尼叠层橡胶支座等具有减隔震功能的桥梁支座或阻尼器，另一点是对梁体与防震块间隙处设置橡胶垫层，对梁体外侧做好防震落梁措施。和以往单纯的依赖增大配筋率等方法相比，采用上述设计思想与方法能够减少工程量，在保证减振隔振效果的同时还有显著的经济效益。

对于双由面球型减隔震支座，主要的设计参数是滑动球面和转动球面的球心距H以及滑动球面的滑动摩擦系数μ。H的取值对减隔震结构的基本周期影响较大，而滑动摩擦系数μ对于支座耗能的有较大的影响。因此，为了得到合理的设计参数，实现较优的减隔震效果，有必要研究支座设计参数对减膈震效果的影响规律，从而为参数的选用提供依据。

三、减隔震支座的工作原理与设计特点

减隔震支座设计通过合理安放支座为桥梁提供水平方向上的柔性支撑，增强桥梁结构在水平方向的稳定性，并利用阻尼装置增强整个桥梁结构的阻尼效应。通过对设计反应谱的分析，可以得知当系统周期增长时，设计荷载相应减少，地震作用也会随之减少。因此，桥梁减隔震支座设计需要以增长系统固有周期后的耗能能力衡量减振隔振性能，并考虑减隔震支座应用后是否对桥梁的桥面与下部结构产生不利的效应而影响桥梁的正常使用。应用减隔震技术的桥梁需要有较为坚实的基础地基，如果是软土地基，或是下部结构柔性较大，需要综合使用减隔震技术与其它技术措施，以保证减振隔振的实际效果。

在桥梁减隔震装置中，较为常用的是由橡胶板、钢板高温硫化粘结制成的橡胶支座，由于橡胶层与钢板紧密粘结，薄钢板能够约束橡胶支座在垂直荷载下的横向变形，因而具有较好的竖向性能。另外，由于在水平荷载下钢板对橡胶层的约束是柔性的，橡胶支座的水平刚度较小，并且剪切刚度是随着变形的变化而变化的，较小变形的情况下水平刚度较大，当变形达到中等时水平刚度最小，而随着变形的进一步增大水平刚度又会随之增加，从而起到保护的作用。橡胶支座在桥梁中的使用，如果受到小震作用，桥梁结构相当于连接在一个刚性基础上，而如果受到强震作用，橡胶支座能够吸收大量能量，并提供柔性滑动。

而本次研究的双曲面球型减隔震支座是减隔震钢支座，是对球型滑动支座进行改造,将普通球型滑动支座的平滑动面改为球面，结构上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，滑动球面和转动球面的摩擦副都是由不锈钢板和聚四氟乙烯板组成的。桥面支承在可滑动的上支座板上，在常用荷载作用下，由于限位螺栓的作用，不允许有相对滑动，相当于固定支座；在地震荷载作用下，限位螺栓被剪断，支座滑动使桥面相对桥墩发生位移，水平运动将产生一个重力的竖向提升，因而可以产生恢复力。

四、施工中应注意的问题及要点

为保证减隔震支座功能的正常发挥，必须严格要求减隔震支座施工的工程质量，按照设计要求规范施工。根据减隔震支座施工的实践经验，要想有效发挥减隔震支座的减振隔振作用，必须注意以下施工问题及要点：

1、安装减隔震支座前，减隔震支座顶面必须保证水平。在施工过程中，需要先用砂轮打磨减隔震支座墩台的垫石，将垫石打磨平整，确保平整度误差小于1mm，再均匀铺设环氧树脂砂浆，保证环氧树脂砂浆厚度一致，最后再放置减隔震支座，将螺栓拧紧。

2、安装减隔震支座后，需要保证其自由位移不受到影响。在施工过程中，需要在安装减隔震支座后对位移槽填充棉絮，也可以填充泡沫，以免梁体施工过程中有杂物进入减隔震支座，直到拆除临时支座之后再取出棉絮，从而确保减隔震支座不受杂物落入的不良影响。

3、在临时固结支座的使用过程中，必须注意不能损害永久的减隔震支座，尤其在拆除阶段要倍加注意。如果是人工拆除临时固结支座，需要注意避免混凝土碎碴、钢筋碎片等杂物落入减隔震支座滑移槽，选择微膨胀炸药能够方便快捷的拆除临时固结支座，避免杂物落入对支座的影响。

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