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桥梁橡胶支座可明显的降低上部结构的地震动反应且需具备其它的附加特性

双林橡胶  2020/12/4 13:33:57  7398
内容摘要:桥梁橡胶支座的主要作用是将上部结构的恒载或活载(包括竖向力和水平力)可靠地传递给下部结构或基础,并同时能适应上部结构的变形或变位〔位移和转角)。除传递荷载的基本功能外,在地震多发地区,叠层桥梁橡胶支座...

桥梁橡胶支座的主要作用是将上部结构的恒载或活载(包括竖向力和水平力)可靠地传递给下部结构或基础,并同时能适应上部结构的变形或变位〔位移和转角)。除传递荷载的基本功能外,在地震多发地区,叠层桥梁橡胶支座也被大量用作结构的隔震装置,对上部结构提供柔性支承,通过调整被隔离结构的固有周期,使其避开地震能量集中的范围,可明显的降低上部结构的地震动反应。
为了满足叠层桥梁橡胶支座在桥梁、房屋建筑结构中的基本功能,支座需具备以下的基本特性。
(1)具有较大的竖向承载能力和竖向刚度,在正常使用状态下能够安全地支撑上部结构的所有重量和使用荷载,具备足够的竖向承载力安全储备,确保建筑结构的安全和满足使用要求。
(2)具有一定的剪切刚度,能够使上部结构在受到风荷载或其它轻微水平荷载作用时不产生过大的水平位移,以满足正常的使用要求:但剪切刚度也不能过大,使支座有提供上部结构产生水平变位的可能,但不会丧失水平方向的承载能力,如,通过叠层桥梁橡胶支座的剪切变形,使桥梁的梁体在水平方向能伸长或缩短,以适应车辆制动力、温度、混凝土收缩和徐变等的作用,从而减小传递给下部墩、台结构的水平力。
(3)支座中橡胶的厚度要达到一定的比例,通过橡胶的不均匀压缩变形来实现梁体转动的需要。
对于作为隔震装置的叠层桥梁橡胶支座,还需具备其它的附加特性:
(1)能提供适当的阻尼,可吸收、耗散振动能量,从而减少输入上部结构的地震能量。
(2)能使上部结构在基础面上柔性移动,以使结构体系的自振周期大大增加从而能把地面震动隔开,有效地降低结构的加速度反应。
(3)支座具有能消除过大残余位移的能力,或者具有足够的水平弹性回复力,以使上部结构在地震作用后能自动复位,回到初始状态,从而满足正常使用要求。
在叠层桥梁橡胶支座出现前,天然橡胶垫片(无加劲材料)很早就作为结构的支承体被用作机械装置的减震、隔震层。由于无加劲材料的约束,在竖向荷载作用下,支座的垂直压缩变形过大,橡胶向侧向膨胀,在四周产生较大的凸突,此处橡胶产生较大的拉伸变形,而产生应力老化。这种支承体的承载能力较弱;其竖向刚度与水平刚度大致相当,被支承体易产生竖向的回弹和水平方向的摇晃。
叠层桥梁橡胶支座的早期形式为了改善天然橡胶垫的承载能力低的弱点,法国人弗涅辛涅首先尝试将钢筋格栅或钢丝网作为加劲材料与橡胶层交替叠合制成叠层桥梁橡胶支座以提高其承载能力,钢筋虽能在一定程度上约束橡胶的变形,但钢筋与橡胶的粘结问题难以很好的解决,并且钢筋格栅或钢丝分散布置于桥梁橡胶支座内,在钢筋与橡胶的界面处容易产生应力集中而出现裂缝。
相对于弹性模量较低的橡胶,钢筋格栅或钢丝网可被视为刚性加劲材料。在研制叠层桥梁橡胶支座的探索过程中,合成纤维、尼龙等柔性材料也曾被尝试作为支座的加劲材料,以期望提高桥梁橡胶支座的力学性能,但限于当时的材料、加工工艺等水平,并未能取得较为理想的效果。
叠层桥梁橡胶支座的现代形式
1957年,由薄钢板代替钢筋格栅与橡胶层交替叠合而制成的叠层桥梁橡胶支座首次在联邦德国得到应用。支座中所采用氯丁橡胶和钢板之间有显著的粘合能力,这种用钢板加劲的叠层桥梁橡胶支座形式至今仍在广泛应用。早期的叠层桥梁橡胶支座是作为上、下部结构的传力装置而出现的,大量的工程实践应用说明了叠层桥梁橡胶支座这种结构形式的合理性。
近年来,隔震技术在桥梁、建筑工程的减、隔震设计中得到了大量应用。弹性支座隔震体系是目前广泛采用的最简单的一种隔震方法,它的有效性也已经在实际的地震震害过程中得到了验证。由于橡胶的阻尼性能不够,为了使叠层桥梁橡胶支座能够更好地用于减、隔震体系,研究人员在保留叠层桥梁橡胶支座这种结构形式的基础上,而采取其它措施(增加额外的阻尼元件、改善橡胶的阻尼性能等)来提高支座的阻尼能力。

桥梁橡胶支座可明显的降低上部结构的地震动反应且需具备其它的附加特性
目前,在桥梁、建筑工程中大量应用的叠层桥梁橡胶支座主要有三种类型:普通叠层桥梁橡胶支座、铅芯叠层桥梁橡胶支座和高阻尼叠层桥梁橡胶支座。
(1)普通叠层桥梁橡胶支座
普通叠层桥梁橡胶支座是采用薄钢板作为桥梁橡胶支座的加劲材料,由于解决了橡胶和钢板的粘结问题,使得橡胶和加劲钢板能够较好的协同受力,大大提高了叠层桥梁橡胶支座的承载能力和竖向刚度。普通叠层桥梁橡胶支座在桥梁、房屋建筑中通常只用作上、下部结构的传力装置。
当减、隔震技术应用于建筑领域时,由于普通叠层桥梁橡胶支座的弹性性质,使支座同上部结构构成的弹性体系的柔性增加,提高了整个结构系统的周期,从而能达到避开地震的卓越周期的目的。典型的地震加速度记录的卓越周期约为秒,低层建筑物的基本自振周期与地震动的卓越周期比较接近,通过引入弹性支撑,可使整个结构系统的周期延长到秒,能够有效地降低结构的地震加速度反应,但是,结构系统的柔性的增大必然会引起上部结构与下部结构之间相对位移的增加,从而可能造成设计上的困难,或在正常使用荷载下结构可能发生振动。
从结构反应谱可知,增加支座的阻尼可以降低上部结构产生的变位,同时吸收耗散振动体系的能量,使振动迅速衰减,达到减小振动的目的。但由于橡胶的阻尼性能较弱,普通叠层桥梁橡胶支座的滞回曲线狭长,其阻尼比大约为5%,耗能能力较弱,通常需要增添额外的阻尼元件来满足隔震系统对阻尼的要求。

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