隔振器在桥梁上应用之我见
一 、概述
目前桥梁设计者和负责桥梁抗震保护者已分成尖锐对立的两派，一派认为减隔振装置是解决所有抗震问题的最佳方法；另一派认为这种方法极不可靠，应杜绝使用。由于这种分歧，即便有减隔振桥梁非线性相应的良好模拟能力和可靠的生产水平，减隔振设计在大震中的相应经验也仍然有限。另一方面安全标准的建立又与变化的保护系数和相应参数有关，而为建立这种安全标准的研究还不完善，这也是将来研究的一个重要领域。
就目前来看，设计隔振桥梁应采用较大的安全系数，减隔振器装置必须进行测试和非线性时程分析，桥梁检测中心必须慎重的进行周期性检查和装置的重新测试。由于设计参数选择余地大，因此，很难找到一个简单的设计标准，所以减隔振器也难以做到规范化。因此，最终的设计必须进行更可靠的核查，其作用也必须用能模拟其真实响应的模型来加以证实。
二、隔振器和耗能装置
（一）常用隔振装置的特性
减隔振体系提供附加水平柔度和能量耗散的同时，也必须能够支撑整个结构物，这三种功能 同时集在一个装置上，或者也可以用不同的组成部分来提供这些功能。例如，传统的桥梁采用将连续梁面板支在四聚氟乙烯支座上来承受温度变形，其位移可用液压和粘滞阻尼器加以限制，而且这些方法均可耗散额外能量。
除了减隔振体系改变震动周期和增加结构阻尼以外，选择减隔振体系时尚需仔细考虑以下几个参数；
重复准静力荷载下的变形能力（即初始刚度）；
屈服力和位移‘
极限位移和达到极限后的特性；
变形后的恢复能力；
竖向刚度；
以下介绍目前世界上主要常用的隔振装置和它们的主要特性：
1、分层橡胶支座
对桥梁的上部结构做简单的隔振装置是圆形或矩形橡胶支座，但这种支座也有许多缺点，这主要与竖向荷载作用下的大变形有关。在支座中插入一些水平钢板后大部分大部分缺点都能克服，因为这些弹性支座垫片不但能使竖向刚度得以增加，也增大了只坐在水平荷载作用下的稳定性，如图6.5所示。因主要由橡胶控制特性，这种支座的反应大致呈线性。因此，如果没有其他构件来提高其阻尼和非地震荷载下的稳定性，通常很少采用这种支座，除非所用橡胶具有很高的内阻尼。
支座的数量、形状和设计由要传递的竖向荷载控制。假如最大水平位移已设定，则支座的强度将与作用面积成正比，与橡胶层厚度成反比，而这又决定了支座的竖向和转动刚度。橡胶层总厚度（层数）将对支座最大允许侧向位移和振动周期产生重要影响。
2、铅芯橡胶支座
以上所述分层橡胶支座有许多显著的优点，然而也存在阻尼的增长几乎可忽略以及在低静载下变位较大等有关的基本缺点。插入铅芯后（如图6.7所示）由于铅芯能耗散地震影响应时的能量和增加静载下的支座刚度，得到这种简单装置能满足一个良好隔振体系的大部分要求，因此，在桥梁中这种装置的应用很广。
铅金属合适的力学性能使其成了一种能与分层橡胶支座联合作用的最佳材料：较低的屈服剪切强度（约10MPa），足够高的初始剪切刚度（约等于130MPa），基本呈弹塑性特征以及塑性循环下良好的疲劳特性。对一个铅芯直径为支座直径的1/4的支座，如果考虑橡胶的特性，容易验证支座的初始水平刚度约增长了10倍，这在风荷载和制动力作用时具有显著优点。铅芯的响应基本呈理想弹塑性曲线，因此屈服后，支座刚度将与普通橡胶支座相同。如图6.7所示。分层橡胶支座的最大侧向力可由刚度和允许位移求得，其近似计算公式如下：
Vr= （1—-1）
其中假的Gr=1MPa，A’/A=0.5，正方形支座宽度为B（mm）,高为h（mm），Vr单位为N,再假的铅芯直径为B/4，剪切刚度为10MPa,则铅芯所受最大水平力可由下式求得：
Vl= （1—2）
或近似为 Vl=B2/2
对一个总高度为h、宽度为B、铅芯直径为支座边长的1/4的支座，铅芯与橡胶对支座总强度的贡献大致相当。图6.8表示支座理想的力—-位移滞回归线。铅芯支座几何尺寸及受力特征如下：橡胶直径650mm,铅芯直径170mm，竖向压力3159KN,水平力频率0.9HZ，冲程90mm。虚线表示普通橡胶支座，实线表示铅芯橡胶支座。
为了得到减隔振体系的期望特性，显然铅芯的形状可作为一个附加设计变量。图6.9概括了铅芯和橡胶支座几何形状变化定性的影响。隔振器的屈服强度与铅芯尺寸成正比，而屈服后的刚度则与橡胶支座成正比，随着橡胶平面尺寸的增大而增大，橡胶高度的减小而增大。
实验表明，在一个很大的频率范围包括典型地震频率在内，铅芯橡胶支座对应变率的依赖性很小，并且在重复荷载下具有较强的稳定特性（20圈后最大位移处耗能能力大约减少20%），而且其温度依赖性也不强（60°C温度变化大约引起30%的内力变化）。铅芯橡胶支座在徐变荷载下的影响也较好；在典型温度引起的速率上，铅芯的剪切应力大约减少为较高地震加速率时的30%。由橡胶产生的弹性恢复力也足以将结构推回初始位置。
铅芯橡胶支座将周期偏移和阻尼增加结合到一个简单的竖向支承上了，因此，成为桥 梁隔振经济而有效的方法。然而必须注意，铅芯的增加也使大部分在分层橡胶支座下具有的自恢复特征丧失了。因此必须注意从制作的角度出发，为保证铅芯的纯受剪特性，铅芯必须又钢板良好的约束住，这将保证滞回线对较大范围的竖向荷载均不敏感，因此，铅芯圆柱应略大于预留圆柱。
3、滑动支座
不锈钢—四氯乙烯支座作为桥梁上部结构的滑动支座大约已使用了四十多年，这种支座允许桥梁产生温度位移。在极低速率，例如温度和徐变推到下，四氯乙烯在不锈钢板上的摩擦系数约为0.02~0.03（依靠润滑剂）；但在典型地震速度和桥梁支座压力下，摩擦系数却相当高，约在0.10~0.15之间变化，但这种支座需要定期予以检查和维修。四氯乙烯支座的相应几乎为完全刚塑性，因而其能量耗散能力极大。由于等效屈服强度依赖于摩阻系数，这点就有些不太可靠。该体系没有任何自恢复力，故存在滑动较大甚至支座脱开的可能性。
由于相应的可预测性和可靠性都不尽人意，也由于没有任何自恢复力，四氯乙烯支座必须和其他装置一起使用才能成为一种隔离装置。四氯乙烯支座如与钢板阻尼器或橡胶支座联合使用，将产生良好的组合效果。对前者，所有竖向力将由四氯乙烯承担，其摩阻系数将保持在最低值，而钢板阻尼器则可提供部分自恢复力和额外的阻尼。对后者，竖向力由两种体系分担，四氯乙烯支座的轴向力将有所降低，而橡胶支座将提供一个自恢复力。橡胶支座与四氯乙烯支座也可组合成一个上下叠合体系，以在受力小于支座滑动力时提供足够柔度。
当滑动支座的概念和摆锤式响应的概念相结合时，就产生了一种概念上有趣的隔振体系，即摩擦摆锤体系（简称FPS），如图6.10所示，这个原理可由下图6.11说明。桥面重力支撑于滑动在一球面的滚轴上，因此，任何一个水平运动都将产生一个重力的竖向提升，如忽略摩阻，该体系的运动方程就近似与一质量相等的摆锤运动，摆锤长度为球面曲线半径。对一自重为W，质量为M,曲线半径为r的摆锤，显然其振动周期Tp和相关刚度Kp分别为（g为重力加速度）： Tp=2П1/2 （1—3）
Kp= （1—4）
对低于支座材料摩阻力的水平力，这种支座的力—位移响应呈刚性，承受较大荷载时则与Kp成正比，换言之，当水平力超过摩阻力时，结构将以Tp为周期作摆动。
它与相似形状的橡胶支座相比，竖向承载能力、侧向刚度和振动周期的变化与支座尺寸变化的数量级相同。
三、结束语
尽管摩擦摆锤体系（FPS）支座具有很多显著优点，但在国内很难见到这种支座用于桥梁结构中，也许这种技术的发展较新的缘故（或者还有其它因素制约），建议我国桥梁研究工作者大力推广应用。
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