新西兰的桥梁隔震技术

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1、新西兰的桥梁隔展技术傅育安?治金部建筑研究总院?一、前七一 曰本世纪 七十年代母来,工 程 隔震作为一项新的结构防震技术,己经受到人们越来越大的重视。目前全世界已有个!国家正在进行工程隔震的研究与实施工作。近几年来,隔震间题在中国 也引起了工程界广泛的注 意,# % : 地震的考验。垫块中央挖洞灌入铅塞,(8? ,。博士?现为新科工部物理及工程试验研究所所长?所首创,构造简单,安装容易,已广泛用着桥梁和房屋隔震的支承体系。这种垫块可以承受很大的竖向荷截在水平各方向上都具有很好的变形能力,滞迥曲线十分饱满,?图1 地震中耗能显著,能极大地减小桥梁上部结构的地震反应,降低地震万,保护上部结构和99

2、:;二三、几种不同的桥梁隔震措施新西 兰的桥梁隔震,基本上是采用橡胶垫和附加滞迥阻尼器的方法厂得以实现支座可动和高阻尼的要求。由于 阻尼器的类型不同,具体的处理措施也各异。下面按不 同的.类型逐一作出介绍。#(铅芯橡胶垫 隔展铅芯橡胶垫是在通常的钢板夹层橡胶、 声闷、声声 户户、,4,(,#(?( ( (图1.铅芯橡胶垫滞回曲线桥墩。在日常的使用情况下,它 又能很好的适应由于温度以及各种荷载作用下结构体系的伸缩或转动变形的需要,对 于风暴的稳定性也很好,铅芯橡胶垫隔震体系现已经在不 少 国家被来用,包括中国。新西!1兰桥梁隔震所采用的铅芯橡胶垫有 园柱形和矩两种,垫块高度为#/ /一!/ /9

3、 9,平面尺寸为!1 /一04899,铅芯直径为个。用于桥梁结构的隔震,而且也使用子房窟建筑的隔震上,例如奥克兰# !层的工会大厦的隔震体系,就是采用的楔形钢板阻尼器。1(橡胶垫一钢梁屈服 阻尼器 隔展以软钢屈服变形提供阻尼为基本原则所研制的各种钢梁屈服式阻尼器、配合橡胶垫所构成的桥梁隔震体系,是新西兰较早期采用的结构隔震技术。这种钢梁屈服式 阻尼器的概念是美国加洲大学伯克利分校教授凯利“(+4,现 为伯克利地震工程研究 中心副主席、国际隔震学会秘书长,联合国关于在第三世界国家中发展隔震技术向题顾间?于& /年代初在新西兰科工部物理及工程试验研究所作语向学者期间首先提出来的,经过 同该所专家们

4、的共同努力,先后研制成功钢梁扭转阻尼器,悬臂钢杆阻尼器,楔形钢板阻尼器、曲屈钢杆阻尼器等,它们的共同特点就是钢阻尼部件的外形尺寸的设计可以使得整 个部件的全 面屈服同时发生,从而最大限度地提供阻尼力和耗能,另外在构造细节 上讲究焊缝的位置和连接处理,以避免应力集中。这些钢梁屈服 式阻尼器不但都具体(摆动踏步式隔展利用高耸结构在地震发生 时沿着其基座自由摆动踏步可以降低地震力输入的特性,同时附加滞回阻尼器以控 制 摆 动幅度、减少摆动次数的隔震处 理,一也 是新西兰结构隔震技术措施之 一。连接首都惠灵顿和新西兰最大城市奥克兰铁路主干线上的兰格特凯大桥,就是采用的这种隔震技术,全 长1/ /多来的

5、大桥,最大桥墩 高度超过& /9,墩脚同其下的基础脱开,仅用钢栓在其中心处相连接,其间垫以橡胶垫,以提供摆动转角和减小踏步冲击应力。阻尼器采用钢梁扭转阻尼器,它的功能是防止大风暴时桥梁的摆动,仅在大地 震时屈服、提供阻尼力。这种阻尼器不仅已用于高架桥隔震实际工 程,而 且也 为高耸结构或设备的隔震提供了一条可供选择的途径,例如新西兰南岛最大城市克瑞斯切契的某四筒组合式高烟囱结构电是采用的这种摆动踏步式隔震技术,所用阻尼器为两个屈服力为#!吨的楔形钢板 阻尼器。四、安全保险措施桥梁结构隔震,必须保证支承垫以上结构体系的 自由可动,且活动空间往往较大,才能满足 地震时大位移的需要,一般的温度变形缝

6、远远不能满足要求。然而隔震缝又不可能无 限制地加大,因为还有使用功能,构造要求以及造价等等因素的约束。同时由于地震准以予料,超越设防标准的非常事件的可能性也存在,这就又发生了非常状况下防止结构落架和碰掩的间题。新西 兰的桥染隔震采用了以下几种措施来解决这些矛盾。#(“碰 即脱”桥台顶块桥梁承载主体结构两端端部 同桥台侧面之间留有充分的活动空 间,通常为 /一0 / /89,保证地 震时桥梁的振动位移不受限制,不发生 同桥台相撞的间题,同时为施工和检修也提供了方便。桥台顶块采用分离式做法,不与主体相连结,地震时很容易被顶开,所谓“碰即脱”,让出桥梁振动活动空间。桥面板向前 挑出,同“碰即脱”顶块

7、之间的脱离按温度变形缝的要求设置和进行处理,以保证桥梁在平时状态下使用的正常功能。“碰 即脱”桥台顶块的措施解决了大隔震缝与使用之间的矛盾。图%为这种“碰即脱”措施的典型做法。剪切 销是配合防落拉杆起作用 的,也是防落的有效措施之一,它设置在桥墩顶部中央,通常为 矩形钢管,截面尺寸1/ /9 9左右,壁厚0一# 0狠。防落拉 杆穿过该剪切销,实现桥梁同桥墩的连结。图即为防落拉杆 与剪切销的典型做 法。义义州州4 叼叼叼4班班) ) ) ) ) ) ) ) ) 拉仔于于司而贡于于于于于于于于于于蓝蓝蓝蓝蓝 套 ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 流流流流流流流目阮阮 刘刘刘刘牙牙

8、牙(二二二二二声 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 44 4 4尸尸 日尸尸图防落拉杆与剪切销图%桥台处典型做法1(缓冲垫圈缓冲垫圈是为了防止超位移振动时桥!(防落拉杆和剪切销为了防止意外,保证在极端大地震时桥梁结构不致于“落架”垮下,每跨承载结构的端部都采用了防落拉杆的措施,将桥梁同桥墩或桥台连接在一起。防落拉杆一般不影响结构的振动位移,仅在地震位移超过设防标准时才进入工作状态,发生作用。这种防落拉杆数量根据需要决定,直径通常为价! /一价/。 图)缓冲垫圈梁结构之间的碰撞以及减小防落拉杆进入工作状态瞬间时的冲击,它总是套在防落拉杆上的,新西兰所用的这种缓冲垫圈由橡胶制成,外直

9、径 为!/和。99两种?图#/?。五、隔震桥梁的地震检验结构隔震措施是否有效,理论分析以及试验验证当然可以说明问题,但最令人信服的莫过于经得起真正 强 烈地震的考验了。这种机会实在太难得了,简直是守株待兔。然而新西 兰北部的蒂迪科大桥在今年1月!日爱及坝巴大地震时碰上 了这种机会,经受了真正大地震的检验。蒂迪科桥全长约#/ 9,宽# #(9,共跨,全部上层结构 支 承 在! /个直 径/ %9。、高# &99的橡胶垫上,其中只有桥墩处的# 0个橡胶垫加了铅芯?功#/ /?,每个垫块承受的竖向 荷 载约# /吨?图# #?。# &年1月!日,新西兰北部发生0(1级浅源地震,震中距该 桥约 # !

10、公里。根据上游水坝处几台强震记录仪的记录?距震中约! /公里,最大地震地 面加速度峰值水平向/(1 1,竖向/ (!1?推测,地 震时蒂迪科桥的场地震动加速度在水平和竖直方向上都可能超过/(。震害调查也说明该地区的地震 烈度在度以上。如此强烈的地面震动使距大桥仅几 十米的一个 学校和 一个旅店 的房屋结构遭到严重破坏,象蒂迪科桥这种单柱桥墩、头重脚轻的结构型 式,通常是 不 利于耐震的。然而由于该桥采用 了隔震技术,大大降低了上部结 构 的地 震力,减轻了震害。桥台的“碰即脱”顶块象予计那样被推开两岸的第一跨桥墩柱脚出现局部混凝土破损左岸桥台处的一个橡胶垫块滑离原位,累积位移超过0 889 9

11、,另一个橡胶垫一边也紧贴外限位圈,有局部轻微挤压破损。地震 后的修复工作主要是滑移橡胶垫的回位和桥台顶“碰即脱”处路面的修补。就总体而言,蒂迪科大桥的震害是很轻微的,经受住了大地震的考验。然而左岸桥台一个橡胶垫的严重移位,是意料之外的。这一方面表明结构的地震位移惊人之大,同时也暴露出施工 甚至设计中的一些间题。、 首先,读滑移的橡胶垫在安装时误差很大,由于找平砂浆层将橡胶垫底部抬高# 9 9,使原设计为! /99高的外限位圈有效限位高度降到只有 99?图# ?,4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4一一产矛公淤叼 丫城7了了了 截截截

12、蘸 赢赢( ( (,麟幽幽 心心心心翻翻 匕匕匕匕匕, , , ,日栩一一口口口口路路 潍潍黝攀滩黝舞舞舞熬熬外限位圈橡胶垫图 移位垫块安装示意因此在强烈的地震水平和竖向加速度的同! /9 9的要求,没有移出,说明 了高! /99时作用下,承受剪切大变形的橡胶垫很容的外限位圈还是有效的。但垫块的局部挤易跨出限位圈步步外移,出现大的累积滑压破损也说明限位圈的构造细节还值得改移位移。另一橡胶垫由于限位圈保证了进。?下转第! #页?命以及由钠筋混凝上规范.“。一了 计算得的各断面的安全系数值均列于表&中表&一 一 一一一一烈烈度度哉面面工( ( (! ! !1 1 1、,、0& & & & & &

13、&只只/(#0 0 0/(1! ! !/(1/ / /(!/(/0 0 0 0 0 0 0仁仁仁浏浏浏浏浏浏浏浏 (1! ! !(/ / /(/ / /一一。0! ! !一一一一一一一一一1(% % % % %(%& & & , , , ,只只只/(# # #/(% % %#(/& & &#(/ / /(& 弓弓/(0! ! ! 仁仁仃 /(0, , (00 0 0!(1一一!(/ / /#(! ! !#(%& & &!(1# # #!(1 1 1! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

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15、靠。另外,桥台处的橡胶垫未设铅芯,同桥墩处的铅芯橡胶垫不匹配,容易造成应力集中,加大剪切变够,这大概也是造 成桥台一个橡胶垫滑 出的原 因之 一。蒂迪科桥在地震中的表现,使人们对工程结构隔震更有了信心,同时也庆得有益的教训 和经验,对今后隔震 后施的 推少“,无疑是很有意义的。六丁、结束语新西 兰工程隔震技术发展的,是众多的科技人员同共努力、大胆尝试的结果。无论是研究所还是高等院校,甚至设计院和建筑公司,人们都以极大的热情和 想象力进行探索,国家也积极支持这种新技术的研究,仅新科工部物理及工程试验研究所一个单位,十年来隔震技术专题的科研费超过/万新元?近#亿元人民币?。不但桥梁采用隔震措施,建筑物、构筑物以及设备,均以隔震 为保护。新西兰的隔震实际工程项目的数量,目前在世界上仍属领先。