1.3　桥梁用减隔震装置

1.3.1　隔震装置介绍

目前在美国应用的隔震支座主要有两种，即合成橡胶支座（低阻尼和高阻尼的橡胶、铅芯橡胶支座）以及滑动支座（球面滑动或摩擦摆支座、平面滑动或是EradiQuake支座）。

合成橡胶、无铅橡胶既可以用于低阻尼天然橡胶支座[主要由Andre、Bridgestone、Dynamic Isolation System（DIS：www.dis-inc.com）、Scougal Rubber（www.scougalrubber.com）制造]，也可以用于高阻尼支座（主要由Andre和Bridgestone制造）。图1-4为由20世纪80年代制作的合成橡胶支座的剖面图。最大的剪应变范围随着其复合程度以及制造商的不同而变化，但通常是在200％和350％之间。由于这些支座的弹性刚度较低，对于正常的工作荷载（如刹车和风荷载）几乎不能提供抵抗力，因此没有被运用在美国的桥梁工程中。

高阻尼橡胶支座中的能量耗散是通过弹性体的特殊叠合来实现的。临界阻尼比通常在7％到14％之间。高阻尼合成橡胶的剪切模量通常在0.35MPa（50psi）和1.4MPa（200psi）之间。支座加工技术及内部力学特性控制技术通常具有专利。橡胶支座的有效刚度（模量函数、黏合面积和整个橡胶厚度）和阻尼由以下因素决定：合成橡胶（包括填充物）和硫化程度、接触压力（能承受的荷载除以黏合面积）、加载速度、加载历史、应变历史以及温度（尤其是在-7℃以下）。

图1-5为铅芯橡胶支座（LR）的切面图，图中所示的为合成橡胶和钢垫片的叠合层以及铅芯部分。

铅芯橡胶支座通常由低阻尼的（无填充物）合成橡胶（100％的剪切应变情况下剪切模量的范围在65到100psi）和直径约为支座黏合直径15％到33％范围内的铅芯部分组成。其中合成橡胶部分起到隔震作用，铅芯部分起到能量耗散或者阻尼的作用。根据制造商的不同，LR支座最大的剪应变范围有所不同，但通常在125％和200％之间变化。

摩擦摆支座（FP）由美国地震保护系统公司（www.earthquakeprotection.com）制造。FP支座的主要构造如图1-6所示，包括：凹面盘和滑块容腔（可锻铸铁、钢或是铸钢件）、滑块（通用304奥氏体不锈钢）、支座材料（高荷载、低摩擦合成体）、不锈钢覆盖板（通用316奥氏体不锈钢）。摩擦摆支座通过滑块在凹面盘上的滑动实现隔震的功能，通过滑块与复合支座材料和不锈钢覆盖层之间的摩擦实现能量耗散（阻尼）。在图中没有给出不锈钢覆盖层，其附着在凹面盘上。滑动面是FP支座至关重要的部分，直接关系到支座的性能。双凹槽的摩擦摆支座是由FP支座派生而来的，FP支座在较大的侧向位移时也可以承受较高的竖向荷载。

1.3.2　能量耗散装置介绍

能量耗散装置在机械系统上的应用已经有一百多年的历史了。19世纪90年代，法国人Army第一次运用液体黏滞阻尼器来减少大炮的振动荷载。当时阻尼器的很多部件在今天的液体黏滞阻尼器中仍能找到。

能量耗散系统在地震工程方面的首次应用是在20世纪70年代的新西兰，采用的是低屈服钢装置。直到20世纪80年代晚期，抗震能量耗散装置才在北美地区首次应用，包括屈服钢和液体黏滞阻尼器。然而，对于隔离冲击和振动的液体黏滞阻尼装置的应用则可以追溯到20世纪初期。

能量耗散或阻尼装置基本上可以分为三类：位移相关型、速度相关型以及其他类型。位移相关型的实例包括以金属屈服和摩擦耗能为基础的相关装置。图1-7（a）为阻尼器的力-位移滞回曲线。速度相关型的实例包括由弹黏性的固体材料组成的阻尼器、由弹黏性液体变形来运作的阻尼器（如黏滞阻尼墙）以及迫使液体通过小孔达到耗能目的的阻尼器（如黏滞液体阻尼器）。图1-7（b）为速度相关系统的特性。其他类的系统特征不能通过图1-7中所示的任一基本类型来进行分类，包括由形状记忆合金制成的阻尼器、由摩擦弹簧组成的具有自复位功能的装置以及液体恢复力/阻尼的阻尼器。

在市场上出售的所有能量耗散装置中，仅有两种适合于桥梁应用，即位移相关的无约束（屈曲约束）支撑和液体黏滞阻尼器。应该注意到，防屈曲支撑并不适宜安装在桥梁的膨胀缝和伸缩缝内，因为这种阻尼器通常：①没有足够的位移能力；②阻止了温度变形。防屈曲支撑适合装在桥梁的基础结构中，以此来增大基础结构的刚度、强度和能量耗散能力。

防屈曲（屈曲约束）支撑示意图如图1-8所示。这种支撑型阻尼器是日本在20世纪80年代研制出来的（Watanabe等，1988），并已在美国数个建筑工程中应用。图1-8显示了Nippon Steel支撑的主要构造，即具有拉压双向屈服特点的十字形截面的焊接钢板（通常为低屈服钢）和外部可采用圆形或方形截面的钢筒。外部钢筒的抗屈曲能力应超过内部十字截面的压屈荷载。在十字形横截面和钢管之间填充一种类似混凝土的材料来延迟十字形横截面的局部压曲。在类似混凝土类材料和十字形截面间采用某种专利材料减小或消除剪力作用。无黏结支撑具有拉压双向等强度特性，其性能在理念上优于中心支撑结构。

在美国，屈曲约束支撑可由Corebrace、StarSeismic和Nippon Steel提供。

在美国，目前液态黏滞阻尼器被广泛地应用于桥梁和建筑物结构中。这类阻尼器的很多技术最初应用于军事、航空和能源应用领域。

通过迫使液体流过小孔可以获得纯黏滞特性（Constantinou和Symans，1992；Soong和Constantinou，1994；Hanson和Soong，2001），这个原理被美国生产抗震液体黏滞阻尼器的制造商所采用。如图1-9所示，液体从活塞头一侧通过环形小孔以及活塞头上的小孔流向活塞头另一侧。这些小孔的设计拥有专利权。阻尼器包括通长的活塞杆以及两套密封组成。由于这种设计通常十分稳定而且不产生恢复力，所以这个设计目前在隔震和阻尼系统中被广泛采用。

图1-10为用作混合隔震系统一部分的液体黏滞阻尼器。在这样的体系中，液体黏滞阻尼器用于增加隔震支座的阻尼。阻尼器的冲程必须超过隔震装置在最大地震（maximum considered earthquake）下所能达到的位移量。