工程結構中新型減隔震支座的研究綜述

徐茂臣，寶音圖

（內蒙古大學，呼和浩特 010020）

1 引言

我國是世界上遭受地震災害較嚴重的國家之一。近年來，災害性地震給人們的生命財產帶來了極大的損失。當前我國工程結構抗震設防的目標為“小震不壞、中震可修，大震不倒”，為保證抗震設防目標的實現，對重大工程結構開展消能減震設計成為結構設計中不可或缺的一環。消能減震實質上就是地震產生的能量輸入與結構對輸入能量不斷消散的過程[1]。減隔震支座是一種應用于工程結構減震消能的常見方式，設置減隔震支座的作用就是延長工程結構的振動周期，將地震產生的能量不斷消散，保證工程結構的安全[2]。國內外目前常見的減隔震支座有高阻尼支座、擺式滑動摩擦支座和鉛芯橡膠支座等，歷經多年的研究和工程實踐，這些支座解決了很多工程結構在減震消能方面的需求。但是，在大跨度斜拉橋、剛構橋、地鐵站、隧道等復雜工程結構中，現有的減隔震支座不再滿足結構物對減震消能方面的要求，且現有支座的某些性能缺陷，如疊層橡膠支座豎向抗拉強度低等急需改善[3]。隨著對減隔震支座的研究不斷深化，近年來涌現出許多新型的消能減震支座，對工程結構中新型減隔震支座的研究進行綜述，有助于讀者發現減隔震支座的發展趨勢，同時幫助工程實踐人員選擇適合其工程情況的減隔震支座。本文將系統闡述和總結拉索減震支座、疊層橡膠支座、減震球形支座以及其他新型減隔震支座的研究成果。

2 拉索減震支座

2.1 拉索減震支座的誕生

拉索減震支座的概念由袁萬城[4]等人在2010 年首次提出并申請專利。拉索減震支座是將盆式橡膠支座和限位拉索結合起來，發揮二者的優點，使得拉索減震支座在水平方向具有較大的變形能力，在豎向有較高的承載力。拉索減震支座克服了阻尼器的耗能能力在進入塑性變形之后迅速下降、疊層橡膠支座只適用于中小橋梁和摩擦擺支座在梁端產生豎向變形等缺點。Wei 等[5]對拉索減震支座在控制主梁位移和限制橋墩的剪力和彎矩的有效性進行評估，發現支座隨橋墩高度的降低或橋墩剛度的增加，控制橋墩位移的效果越明顯。黨新志等[6]為了將拉索減震支座的優點得以保留又能夠減小地震對橋梁上部結構的影響，在拉索減震支座上安裝鋼螺旋彈簧，組成了自復位拉索減震支座，該支座具有良好的震后復位作用。許延祺等[7]介紹了拉索摩擦擺支座在強震區橋梁工程中的應用，該支座是在摩擦擺支座的兩側設置拉索裝置而形成的減震支座。大震作用下，支座的剪力螺栓剪斷，當u＜u0時（u0為支座隔震位移，u為支座位移），摩擦擺系統消耗能量；當u＞u0時，地震產生的巨大作用力在拉索作用下被墩柱削弱至30%以下，保證了橋墩的安全。

2.2 拉索減震支座的工程中的應用

為了保證拉索減震支座能夠應對不同地形條件及對各種橋梁的適用性，研究人員針對多種橋梁在安裝拉索減震支座后橋梁的抗震性能進行研究。鐘劍等[8]將拉索減震支座應用在斜拉橋中，發現該支座能有效降低主梁位移和塔底彎矩，從而增加橋梁在地震中的穩定性。柳春光等[9]針對拉索減震支座在大跨度斜拉橋上的適用性進行研究，采用LS-DYNA 建立了橋梁模型，探討了支座的最佳布置方式以及減隔震效果，指出為了保證橋塔和墩梁的相對位移在可控范圍內，應在整個斜拉橋上均采用拉索減震支座。陳志剛等[10]對拉索減震支座在剛構橋減震設計中的應用進行研究，研究結果表明，拉索減震支座可以有效降低橋梁的橫向受力，極大地限制結構橫向移動。馬婧等[11]發現了在深水橋采用拉索減震支座時，動水壓力引起的剪力和彎矩的增加值遠小于摩擦擺支座的。另外，動水壓力會引起結構墩頂位移，采用拉索減震支座可以有效減少其不利影響。

在拉索減震支座問世的12 年間，科研人員不斷地對拉索減震支座進行革新，并與常用的減震支座進行結合，充分發揮了拉索減震支座的限位作用和對各種地形的適用性。拉索減震支座目前較為廣泛應用在工程領域，未來拉索減震支座宜與其他類型的減震支座進行融合，發揮其在減震消能方向上的優點。

3 疊層橡膠支座

3.1 疊層橡膠支座及其衍生支座

疊層橡膠支座是一種由鋼板和橡膠片交替組成的一種具有小的水平剛度、大的水平側移允許值和較大豎向承載力的支座[12]。疊層橡膠支座廣泛應用建筑物的抗震設計中，但其仍有許多不足之處有待完善。Wang 等[13]對疊層橡膠支座布置在鋼網架結構中時可能發生的超低周疲勞破壞進行研究，探究發現錨桿是支座最薄弱的構件，增大錨桿的直徑可以增大支座剛度，減緩剛度退化。Wu 等[14]為了使疊層橡膠支座具有三維隔震效果，使用外部約束鋼板代替支座中的水平疊層鋼板，使鋼覆蓋層和橡膠層共同抵抗豎向和水平荷載。Liang 等[15]提出了一種由水平疊層橡膠支座和豎向串聯的環形彈簧組成的新型三維隔震支座，該支座具有可靠的連接結構，可實現支座的水平和豎向解耦。Sun 等[16]將具有屈曲能力的鋼板與疊層橡膠支座相結合組成了一種新型鋼板-疊層橡膠支座，當該支座高寬比增加時，鋼板的剛度、屈曲前后剛度比和臨界屈曲荷載均減小，通過對支座的耗能、剪切剛度和等效黏滯阻尼系數等進行研究，發現該支座滿足防震減災要求。

3.2 疊層橡膠支座在的工程應用及效果評估

安裝橡膠支座是一種在地上工程結構中廣泛使用的減隔震方法，近年來許多學者對橡膠支座在地下工程的適用性進行了研究。陳曦等[17]對近斷層地震發生時，地鐵中柱設置橡膠支座的減震效果進行了研究，通過對減震結構和原結構的減震效果進行對比分析，發現在中柱上安裝橡膠支座使得頂板的內力和變形不能有效地傳到中柱上，且支座的整體剛度減小，設置該支座具有明顯的減震效果。杜修力等[18]對地下結構的抗震設計進行研究，發現不同類型的支座在地下結構抗震中有一定的差異，相較于鉛芯橡膠支座，疊層橡膠支座有更好的抗震效果。Liu 等[19]以大開地鐵站為例建立了土-結構體系二維有限元模型，與大開車站原結構相比，設置橡膠支座的中柱水平變形、剪力和彎矩均有大幅度的減小，采用橡膠支座的地下結構發生中等到嚴重破壞的概率大幅降低。

疊層橡膠支座是一種性能良好的支座，可以較為廣泛地應用在地上和地下工程結構中。但疊層橡膠在鋼板與橡膠板之間的黏結力較差，在震動時易發生破壞。對鋼板與橡膠板之間黏結技術的研究或將成為疊層橡膠支座研究的新方向，且隨著我國對大型工程結構的需求不斷加大，適用于大型工程結構的大型疊層橡膠支座的研發與應用有待完善[20]。

4 球形支座

球形支座是一種由盆式橡膠支座發展而來的新型支座，發揮了盆式橡膠支座承載力大、位移大的特點，使其具有傳力可靠、各方向轉動性能一致和允許水平位移大的優點，廣泛應用于大轉角支座、大跨徑橋梁和低溫地區的橋梁工程中[21]。Ma等[22]對球形抗震支座的隨機震動進行了分析。結果表明，擺鏡系統的頻率為20～200 Hz 時無破壞共振，加速度響應曲線和應力響應曲線均有波動，但最終下降趨于穩定。Liu 等[23]通過將相關性和靈敏度分析相結合的方法對球形支座的工作機理和損傷機理進行了研究。陳金順等[24]闡述了雙曲面球形減震支座的構造及工作原理。該支座既能夠保證正常使用時的位移要求，又能延長地震周期，減小地震力；阻尼裝置在一定程度上可以減小支撐面的相對變形。張永亮等[25]研究了雙曲面球型支座球面的滑動摩擦系數和溫變間隙對長聯連續梁橋的影響。Ozkaya 等[26]研發了一種由鋼筋和多層橡膠支座組成，中心孔內填有小直徑鋼珠的新型球形橡膠支座。該支座由于添加了鋼珠，有效增加了彈性軸承的能量耗散作用、水平和垂直剛度，并且該支座的能量耗散能力不會隨著加載周期的增加而降低。Peng 等[27]研究了一種雙球面隔震支座（DSSI），該支座可以有效增加豎向承載力，減少豎向位移，具有一定的控制能量耗散的能力。徐瑞祥等[28]以球型鋼支座為基礎研究出一種新型斜面導向自復位支座，該支座良好的減隔震和自復位性能，可顯著降低墩頂水平力，減小墩底彎矩，減震效果明顯，且具有較小的殘余位移。宋力勛[29]研發出一種適用于軌道交通的新型球形減震支座。這種支座具有較小的水平尺寸，節省了布置空間和造價，而支座的水平承載力和抗拉拔承載力也能滿足要求。

抗震球形支座是一種目前世界上使用比較廣泛的支座形式，對連續彎板結構、大跨度斜拉橋等大跨徑結構具有良好的適用性。今后的研究方向可以向地鐵站等地下工程的大跨徑結構抗震設計傾斜，突破地下工程結構抗震的難題。

5 結論與展望

1）拉索減震支座的水平位移大、豎向承載力高、拉索的限位作用顯著。隨著橋墩高度的降低以及剛度的增加，拉索限位作用會有所提高自復位拉索減震支座和緩沖型拉索減震支座也可以提高支座的限位作用。當拉索采用柔性鋼絲繩材料時，可以輕易改變支座的自由滑動形成。拉索減震支座對各種地形都有良好的適應性，將其應用于斜拉橋、高架橋和剛構橋中，均表現出了良好的減震效果。未來可以圍繞拉索減震支座對結構豎向受力的影響以及與其他支座相結合等方向開展研究。

2）疊層橡膠支座在地下工程、橋梁工程以及地上結構抗震中使用較為廣泛。該支座的豎向的剛度和承載力很大，水平方向的剛度較小、側移允許值大，具有良好的抗震性能。但其鋼板與橡膠板之間的黏結較弱，支座抗拉強度低等缺點需要科研人員進一步改進。

3）球型抗震支座具有可靠的傳力體系，在所有方向上轉動性能一致，經過優化后重量減輕，最大應力減小且分布均勻。各種新型球形支座在保留傳統球形支座的優點下進行改善，可以限制支座變形，提高水平承載力和抗拔能力，具有可變剛度高、自復位能力強和減震性能好等優點，還具有周期延長和能量耗散等功能。未來可以針對支座限位以及對地形地質的適用性進行研究。