日本隔震桥梁的起源与发展

日本隔震设计由来已久,其间遭受了几次大地震的洗礼,经过数代学者的探索,发展至今。特别是1995年阪神大地震之后,日本桥梁隔减震技术得到了广泛的应用,积累了丰富经验,技术日趋成熟。

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阪神大地震

01.

隔震概念的起源

隔震的概念由来已久,古代日本在建设寺庙时就沿用中国传统方法,一层沙一层粘土交互铺垫下部基础,比如现存京都的三十三间堂,屹立不倒已750余年。

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京都的三十三间堂

自上世纪60年代开始,新西兰、日本、美国等国家就开始了对隔震技术的系统研究。

70年代起,新西兰学者W.H.Robinson等率先研发了铅芯橡胶支座,极大地推动了隔震技术的工程应用。

然而隔震的概念真正应用到桥梁中是在1980年以后。随着隔震建筑的应用逐渐推广逐渐开始得到应用,日本的国土交通省,一批顶尖的研究人员开展了由上至下研发隔减震桥梁的各种尝试。

经过多年研究,终于在1991年发表了他们的研究成果,也就是第一个公路桥梁隔震设计指南草案。同年日本第一个隔震桥梁——宫川桥竣工,这也宣告了日本桥梁隔震的诞生。

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日本第一座隔震桥宫川桥

02.

日本隔震桥梁的发展

早期的公路桥梁一般都采用钢制的橡胶支座或移动支座。

在桥轴方向,考虑到桥梁上部结构因温差产生的收缩,一般橡胶支座布置在中央桥柱,其他桥柱和桥台就需要布置滑动支座,以满足上部结构收缩。因此这样的桥梁就需要中间桥柱很强,其他桥柱较弱,因为地震时只有中间桥柱抵抗水平地震力。

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抗震桥与隔震桥的区别

在隔震桥梁出现之前就有很多桥梁使用橡胶支座,主要是把地震水平力分散到各个桥柱上,以增强桥梁整体抗震性能。

水平力分散桥不是严格意义上的隔震桥,其抗震能力的提高主要是靠水平力分散,但其客观上起到了一定延长周期的作用,也增加了结构变形能力。

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在1995年兵库县南部地震中,传统式样的抗震桥梁遭受了惨重打击,钢制支座损害严重,甚至导致落桥。

而使用了橡胶支座的桥梁却基本没有严重的损伤,橡胶支座竟无一破坏。从此,日本兴起建设隔减震桥的潮流,1995年之后建设的新桥梁大部分是隔减震桥,对旧桥进行加固改造时,也经常将桥梁支座更换为隔震支座,采用隔减震的方法增加桥梁的抗震性能。

03.

桥梁隔震支座

橡胶隔震支座从原来单一的纯天然橡胶支座,发展出了加铅芯的LRB和人工合成高分子粘弹性材料的高阻尼橡胶(HDR),甚至高阻尼橡胶中加入铅芯的弹簧约束型铅芯橡胶支座SPR-S。

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铅芯橡胶支座LRB

铅芯橡胶支座LRB利用橡胶的弹性变形和铅的塑性耗能分别起到延长的作用。

由于铅芯所占比例可以调节,所以在设计上有一定的灵活性。而且LRB的特性稳定,大变形情况下的超弹性硬化现象比较小,但由于铅芯必须被有效约束,不然就会变成只有橡胶在变形,因此可加入的铅芯是有限度的。

然而由于LRB需要大量使用铅,其未来对环境的影响还不明确,所以后来研发了对环境负担比较小的高阻尼橡胶HDR。

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HDR隔震支座

HDR使用的是人工合成高分子材料,又称之为粘弹性材料,除了用于HDR隔震支座还可用于HDR阻尼器,也有人称之为粘弹性阻尼器或橡胶阻尼器等。

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SPR-S隔震支座

结合了LRB和HDR两者优点的SPR-S,其耗能能力更是有飞跃性的提升。

04.

面临的问题

虽然在阪神地震等大地震中,隔震支座无一破坏,然而在2011年东日本大地震和2016年熊本地震的时候,均发生了橡胶支座破坏的现象。其中,不排除设计不当和橡胶支座性能不均一等因素,但其中主要原因被认为是与橡胶支座的老化有关。

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2011东日本大地震破坏严重

虽然隔震支座的老化原因还有待进一步研究,但总体上与其室外使用环境有关,如长期受到雨水冲刷、紫外线辐射等,还与在桥端经历反复伸缩及转动变形等因素有关。

因此,隔震支座的后期维护极为重要,一是要对隔震支座进行定期检查维护;二是在设计制作时就要考虑在出现老化或在地震中受损后可以及时更换。

资料参考:《日本桥梁隔震的发展历程简介》党纪;《隔震技术在建筑物抗震设防中的应用和推广》罗桂纯。

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