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桥梁结构中减隔震橡胶支座的应用分析

时间:2019-12-12 来源:未知 作者:依依 本文字数:3015字

  橡胶论文(推荐10篇)之第七篇

  摘要:对桥梁结构中减隔震橡胶支座的工作原理与应用标准进行了论述,分析了减隔震橡胶支座的4种基本类型及选择时应考虑的因素,对减隔震橡胶支座的研究与开发方向进行了展望。

  关键词:减隔震橡胶支座,隔震技术,桥梁结构

橡胶论文

  桥梁是重要的国家交通结构,桥梁结构设计最重要的便是它自身的稳定性和安全性。抗震减震的橡胶支座能减小类似于地震作用等带来的影响,消除或有效减轻结构性或非结构性的损坏,进而达到削弱消除地震能量的作用[1]。本文通过对文献的整理归纳和分析,总结了减隔震橡胶支座的分类、工作原理与应用表现,梳理了影响减隔震橡胶支座选择的因素,并对减隔震橡胶支座研究和开发进行了展望。

  1 减隔震橡胶支座的工作原理与应用

  1.1 工作原理

  减隔震橡胶支座主要是通过隔震层的水平方向上大变形的运动消耗掉大部分地震能量,进而减轻上部结构所受到的地震所带来的惯性作用,从而有效地降低地震所引起的上部结构加速度反应,减小层与层间剪力及相应的剪切变形。

  1.2 一般应用标准

  减隔震橡胶支座一般应用的标准是:1)桥梁结构要有刚性墩,且刚性墩的自振周期较短;2)桥梁工程场地周围要有较明确的地面运动特性,且有较高的振动频率,因为减隔震支座有较好的抵抗高频率振动的能力;3)当桥梁的下部结构具有不均匀刚度时,应采用减隔震橡胶支座来调节结构各部分的刚度,进而避免结构发生破坏[1]。

  1.3 具体应用

  减隔震橡胶支座的具体应用主要表现在:1)在结构设计当中多采用柔性支撑结构,延长结构自振周期,进而较好的减弱地震作用;2)采用橡胶支座可以延长结构自振周期,减小结构上部的加速度,但是相应地,橡胶薄层地的水平位移会相应的增加;3)通过增加橡胶支座的阻尼值和柔度值来抑制结构的水平位移,改善结构的荷载分布情况,减小抗震缝的长度,继而可以提高结构自身的抗震性[1]。

  2 减隔震橡胶支座的基本类型

  减隔震橡胶支座主要有天然橡胶支座、高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、叠层橡胶支座等4种基本类型。

  2.1 天然橡胶支座

  在针对直径为220 mm的天然橡胶隔震支座开展了长达60 d的海水干湿循环试验中,表明了天然橡胶支座具有良好的水平刚度[2]。在我国北方的沿海地区修建跨海大桥时,天然橡胶支座的老化现象便尤为明显,夏季时海水、海风的氯离子侵蚀,水的碳化作用,冬季时海水的冻融循环作用,以及其他因素比如温度、湿度、太阳照射等,都会加速天然橡胶支座的老化,降低使用寿命。因而,支座材料和自身结构的改进便显得尤为重要。

  2.2 高阻尼橡胶支座

  高阻尼橡胶支座具有承载能力、恢复力和吸收能量三位一体的功能。相比铅芯橡胶支座来说,它具有滞回特性较饱满、维修养护成本相对较低、温度稳定性较好、地震后几乎没有残余变形以及适用于多样化地域环境等优点[3]。高阻尼橡胶支座的原理主要是通过自身的橡胶层具有的滞回特性进行耗能,进而增加整体结构的自振周期,从而减小地震力所产生的振动作用,并且在地震作用结束后,可以依靠橡胶本身的弹性力自动复位。

  2.3 铅芯橡胶支座

  铅芯橡胶支座的作用是能够有效减少桥墩的位移,进而降低桥墩的位移延性系数,从而降低了桥墩的加速度、剪力值和弯矩值,使桥梁结构在整个地震过程中更容易处于弹性状态而不发生结构性或者非结构性的破坏[4]。但有实验表明:铅芯橡胶支座的橡胶在低温环境下会发生硬化反应,在低周疲劳作用下支座橡胶会发生疲劳剪切破坏并且会使橡胶支座的阻尼性能大幅下降,所以一旦橡胶支座发生破坏,支座中的金属铅芯会对环境造成无法估计的污染[3]。为了提高铅芯橡胶支座的隔震效果,铅芯可以采用形状记忆合金拉索的方形铅芯[5]。

  2.4 叠层橡胶支座

  叠层橡胶支座是用薄橡胶片和加强钢板互相交错放置然后通过硫化黏结而成。加强钢板可以在薄橡胶片水平横向受压时提供约束,而薄橡胶片有良好的抗压性能,能良好的承受竖向荷载。因而具有低水平刚度,高竖向刚度的特性,从而可以延缓桥梁结构的自振周期,避过地震的卓越周期,减小对桥梁结构的或者非结构性的损伤[6]。

  直接采用天然橡胶支座的桥梁结构比较少,因为天然橡胶伴随着老化问题,以及缺点较明显,更多的是用在研究方面;高阻尼橡胶支座一般用在低温环境下,且大地震频发地带;铅芯橡胶支座通常用在环境相对适宜条件下,比如山区的高架公路、多跨连续梁桥等;叠层橡胶支座因为其突出的隔震效果,多用于地下结构,比如地铁、隧道等,通过有限元数值模拟的方法分析得出:在实际工程中,如果将叠层橡胶隔震支座布置于地下结构中柱柱顶,结构中柱和侧墙变形平均减幅为21%,中柱的应力平均减幅为23%,而结构的应力平均减幅为22%,则充分证明在地下结构中应用叠层橡胶支座是正确可行的[6]。

  3 选择减隔震橡胶支座时应考虑的因素

  3.1 不同的边界约束对于橡胶支座的影响

  常见的边界约束有顶面底面锚固、底面锚固、无锚固3种。其中,随着剪切作用的增加,橡胶支座因受压面积减小而导致所受的压力峰值不断增加,不同边界约束下,橡胶支座的压力峰值增加幅度也相差明显,采用顶面底面锚固的支座增加幅值最大,无锚固支座增加的幅值最小。对橡胶支座增加约束,虽然支座稳定性上去了,但也同时增加了结构内部的响应值,使得橡胶层与钢板之间更容易发生剥离,不利于结构抗震,所以采用底面锚固是比较合适的[7]。

  3.2 剪切作用、应变相关性和温度对支座刚度、阻尼比的影响

  研究分析表明,整体上来说,剪应变减小了两者的等效刚度和等效阻尼比,但对于高阻尼橡胶支座的影响要弱于铅芯橡胶支座;温度对于铅芯橡胶支座的阻尼比影响更小,而在大变形状态下,高阻尼橡胶支座的刚度强化幅度大于铅芯橡胶支座,所以高阻尼橡胶支座在强烈地震作用下安全系数更高[8]。

  3.3 减隔震橡胶支座的耐久性

  环境因素(如氧化、臭氧断裂、化学腐蚀等)、徐变与应力松弛、疲劳破坏等都会影响减隔震橡胶支座的耐久性。在桥梁施工当中,可以通过涂抹适当的抗劣化、耐燃烧、具有保护橡胶层功能,或者在橡胶材料配方中加入适当的耐氧化剂等措施来提高减隔震橡胶支座的耐久性[9]。

  3.4 减隔震橡胶支座的成本

  作为一个工程项目,成本必然会直接影响项目的经济性评价。桥梁工程施工中,施工方应在保证安全性和稳定性的前提下,提高管理理念和成本把控意识,进而有效地把控橡胶支座材料成本、机械设施成本以及人力成本等[10]。

  3.5 施工环境的影响

  在施工过程中可能遇到的问题有:桥梁工程施工场地的地基础比较软、地基持力层较薄、地下水位影响、土质影响(是否靠海、是否含有较多的强碱强酸、是否发生冻胀融陷等)、当地气候条件、风荷载等横向荷载诱发共振问题、桥梁结构固有的结构周期较长等,都要在减隔震橡胶支座的选型中予以充分考虑[1]。

  展望

  随着结构抗震技术不断受到人们重视,为了实现更好的抗震效果,开始采用半部分主动控制支座、主动控制以及混合控制等方法来减隔震,例如滑/滚动支座,橡胶支座与滑/滚动支座的组合支座,摩擦摆隔震支座等[11]。其次,开发更加低成本、低消耗、低要求,更适合桥梁结构特点的减隔震橡胶支座是未来发展趋势。另外,成本的把控也是限制减隔震方法发展的重要因素。

  参考文献
  [1]李晓光.桥梁结构设计中减隔震技术应用研究[J].江苏科技信息,2018(24):57-59.
  [2]李艳敏,马玉宏,赵桂峰,等.基于海水干湿循环的天然橡胶支座剪应变相关性试验研究[J].土木工程学报,2018,51(S1):26-31.
  [3]张菊辉,陈杨,姚兆玮.高阻尼橡胶支座隔震桥梁简化力学模型动力[J].机械强度,2019,41(1):7-12.

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