工程结构中新型减隔震支座的研究综述

徐茂臣，宝音图

（内蒙古大学，呼和浩特 010020）

1 引言

我国是世界上遭受地震灾害较严重的国家之一。近年来，灾害性地震给人们的生命财产带来了极大的损失。当前我国工程结构抗震设防的目标为“小震不坏、中震可修，大震不倒”，为保证抗震设防目标的实现，对重大工程结构开展消能减震设计成为结构设计中不可或缺的一环。消能减震实质上就是地震产生的能量输入与结构对输入能量不断消散的过程[1]。减隔震支座是一种应用于工程结构减震消能的常见方式，设置减隔震支座的作用就是延长工程结构的振动周期，将地震产生的能量不断消散，保证工程结构的安全[2]。国内外目前常见的减隔震支座有高阻尼支座、摆式滑动摩擦支座和铅芯橡胶支座等，历经多年的研究和工程实践，这些支座解决了很多工程结构在减震消能方面的需求。但是，在大跨度斜拉桥、刚构桥、地铁站、隧道等复杂工程结构中，现有的减隔震支座不再满足结构物对减震消能方面的要求，且现有支座的某些性能缺陷，如叠层橡胶支座竖向抗拉强度低等急需改善[3]。随着对减隔震支座的研究不断深化，近年来涌现出许多新型的消能减震支座，对工程结构中新型减隔震支座的研究进行综述，有助于读者发现减隔震支座的发展趋势，同时帮助工程实践人员选择适合其工程情况的减隔震支座。本文将系统阐述和总结拉索减震支座、叠层橡胶支座、减震球形支座以及其他新型减隔震支座的研究成果。

2 拉索减震支座

2.1 拉索减震支座的诞生

拉索减震支座的概念由袁万城[4]等人在2010 年首次提出并申请专利。拉索减震支座是将盆式橡胶支座和限位拉索结合起来，发挥二者的优点，使得拉索减震支座在水平方向具有较大的变形能力，在竖向有较高的承载力。拉索减震支座克服了阻尼器的耗能能力在进入塑性变形之后迅速下降、叠层橡胶支座只适用于中小桥梁和摩擦摆支座在梁端产生竖向变形等缺点。Wei 等[5]对拉索减震支座在控制主梁位移和限制桥墩的剪力和弯矩的有效性进行评估，发现支座随桥墩高度的降低或桥墩刚度的增加，控制桥墩位移的效果越明显。党新志等[6]为了将拉索减震支座的优点得以保留又能够减小地震对桥梁上部结构的影响，在拉索减震支座上安装钢螺旋弹簧，组成了自复位拉索减震支座，该支座具有良好的震后复位作用。许延祺等[7]介绍了拉索摩擦摆支座在强震区桥梁工程中的应用，该支座是在摩擦摆支座的两侧设置拉索装置而形成的减震支座。大震作用下，支座的剪力螺栓剪断，当u＜u0时（u0为支座隔震位移，u为支座位移），摩擦摆系统消耗能量；当u＞u0时，地震产生的巨大作用力在拉索作用下被墩柱削弱至30%以下，保证了桥墩的安全。

2.2 拉索减震支座的工程中的应用

为了保证拉索减震支座能够应对不同地形条件及对各种桥梁的适用性，研究人员针对多种桥梁在安装拉索减震支座后桥梁的抗震性能进行研究。钟剑等[8]将拉索减震支座应用在斜拉桥中，发现该支座能有效降低主梁位移和塔底弯矩，从而增加桥梁在地震中的稳定性。柳春光等[9]针对拉索减震支座在大跨度斜拉桥上的适用性进行研究，采用LS-DYNA 建立了桥梁模型，探讨了支座的最佳布置方式以及减隔震效果，指出为了保证桥塔和墩梁的相对位移在可控范围内，应在整个斜拉桥上均采用拉索减震支座。陈志刚等[10]对拉索减震支座在刚构桥减震设计中的应用进行研究，研究结果表明，拉索减震支座可以有效降低桥梁的横向受力，极大地限制结构横向移动。马婧等[11]发现了在深水桥采用拉索减震支座时，动水压力引起的剪力和弯矩的增加值远小于摩擦摆支座的。另外，动水压力会引起结构墩顶位移，采用拉索减震支座可以有效减少其不利影响。

在拉索减震支座问世的12 年间，科研人员不断地对拉索减震支座进行革新，并与常用的减震支座进行结合，充分发挥了拉索减震支座的限位作用和对各种地形的适用性。拉索减震支座目前较为广泛应用在工程领域，未来拉索减震支座宜与其他类型的减震支座进行融合，发挥其在减震消能方向上的优点。

3 叠层橡胶支座

3.1 叠层橡胶支座及其衍生支座

叠层橡胶支座是一种由钢板和橡胶片交替组成的一种具有小的水平刚度、大的水平侧移允许值和较大竖向承载力的支座[12]。叠层橡胶支座广泛应用建筑物的抗震设计中，但其仍有许多不足之处有待完善。Wang 等[13]对叠层橡胶支座布置在钢网架结构中时可能发生的超低周疲劳破坏进行研究，探究发现锚杆是支座最薄弱的构件，增大锚杆的直径可以增大支座刚度，减缓刚度退化。Wu 等[14]为了使叠层橡胶支座具有三维隔震效果，使用外部约束钢板代替支座中的水平叠层钢板，使钢覆盖层和橡胶层共同抵抗竖向和水平荷载。Liang 等[15]提出了一种由水平叠层橡胶支座和竖向串联的环形弹簧组成的新型三维隔震支座，该支座具有可靠的连接结构，可实现支座的水平和竖向解耦。Sun 等[16]将具有屈曲能力的钢板与叠层橡胶支座相结合组成了一种新型钢板-叠层橡胶支座，当该支座高宽比增加时，钢板的刚度、屈曲前后刚度比和临界屈曲荷载均减小，通过对支座的耗能、剪切刚度和等效黏滞阻尼系数等进行研究，发现该支座满足防震减灾要求。

3.2 叠层橡胶支座在的工程应用及效果评估

安装橡胶支座是一种在地上工程结构中广泛使用的减隔震方法，近年来许多学者对橡胶支座在地下工程的适用性进行了研究。陈曦等[17]对近断层地震发生时，地铁中柱设置橡胶支座的减震效果进行了研究，通过对减震结构和原结构的减震效果进行对比分析，发现在中柱上安装橡胶支座使得顶板的内力和变形不能有效地传到中柱上，且支座的整体刚度减小，设置该支座具有明显的减震效果。杜修力等[18]对地下结构的抗震设计进行研究，发现不同类型的支座在地下结构抗震中有一定的差异，相较于铅芯橡胶支座，叠层橡胶支座有更好的抗震效果。Liu 等[19]以大开地铁站为例建立了土-结构体系二维有限元模型，与大开车站原结构相比，设置橡胶支座的中柱水平变形、剪力和弯矩均有大幅度的减小，采用橡胶支座的地下结构发生中等到严重破坏的概率大幅降低。

叠层橡胶支座是一种性能良好的支座，可以较为广泛地应用在地上和地下工程结构中。但叠层橡胶在钢板与橡胶板之间的黏结力较差，在震动时易发生破坏。对钢板与橡胶板之间黏结技术的研究或将成为叠层橡胶支座研究的新方向，且随着我国对大型工程结构的需求不断加大，适用于大型工程结构的大型叠层橡胶支座的研发与应用有待完善[20]。

4 球形支座

球形支座是一种由盆式橡胶支座发展而来的新型支座，发挥了盆式橡胶支座承载力大、位移大的特点，使其具有传力可靠、各方向转动性能一致和允许水平位移大的优点，广泛应用于大转角支座、大跨径桥梁和低温地区的桥梁工程中[21]。Ma等[22]对球形抗震支座的随机震动进行了分析。结果表明，摆镜系统的频率为20～200 Hz 时无破坏共振，加速度响应曲线和应力响应曲线均有波动，但最终下降趋于稳定。Liu 等[23]通过将相关性和灵敏度分析相结合的方法对球形支座的工作机理和损伤机理进行了研究。陈金顺等[24]阐述了双曲面球形减震支座的构造及工作原理。该支座既能够保证正常使用时的位移要求，又能延长地震周期，减小地震力；阻尼装置在一定程度上可以减小支撑面的相对变形。张永亮等[25]研究了双曲面球型支座球面的滑动摩擦系数和温变间隙对长联连续梁桥的影响。Ozkaya 等[26]研发了一种由钢筋和多层橡胶支座组成，中心孔内填有小直径钢珠的新型球形橡胶支座。该支座由于添加了钢珠，有效增加了弹性轴承的能量耗散作用、水平和垂直刚度，并且该支座的能量耗散能力不会随着加载周期的增加而降低。Peng 等[27]研究了一种双球面隔震支座（DSSI），该支座可以有效增加竖向承载力，减少竖向位移，具有一定的控制能量耗散的能力。徐瑞祥等[28]以球型钢支座为基础研究出一种新型斜面导向自复位支座，该支座良好的减隔震和自复位性能，可显著降低墩顶水平力，减小墩底弯矩，减震效果明显，且具有较小的残余位移。宋力勋[29]研发出一种适用于轨道交通的新型球形减震支座。这种支座具有较小的水平尺寸，节省了布置空间和造价，而支座的水平承载力和抗拉拔承载力也能满足要求。

抗震球形支座是一种目前世界上使用比较广泛的支座形式，对连续弯板结构、大跨度斜拉桥等大跨径结构具有良好的适用性。今后的研究方向可以向地铁站等地下工程的大跨径结构抗震设计倾斜，突破地下工程结构抗震的难题。

5 结论与展望

1）拉索减震支座的水平位移大、竖向承载力高、拉索的限位作用显著。随着桥墩高度的降低以及刚度的增加，拉索限位作用会有所提高自复位拉索减震支座和缓冲型拉索减震支座也可以提高支座的限位作用。当拉索采用柔性钢丝绳材料时，可以轻易改变支座的自由滑动形成。拉索减震支座对各种地形都有良好的适应性，将其应用于斜拉桥、高架桥和刚构桥中，均表现出了良好的减震效果。未来可以围绕拉索减震支座对结构竖向受力的影响以及与其他支座相结合等方向开展研究。

2）叠层橡胶支座在地下工程、桥梁工程以及地上结构抗震中使用较为广泛。该支座的竖向的刚度和承载力很大，水平方向的刚度较小、侧移允许值大，具有良好的抗震性能。但其钢板与橡胶板之间的黏结较弱，支座抗拉强度低等缺点需要科研人员进一步改进。

3）球型抗震支座具有可靠的传力体系，在所有方向上转动性能一致，经过优化后重量减轻，最大应力减小且分布均匀。各种新型球形支座在保留传统球形支座的优点下进行改善，可以限制支座变形，提高水平承载力和抗拔能力，具有可变刚度高、自复位能力强和减震性能好等优点，还具有周期延长和能量耗散等功能。未来可以针对支座限位以及对地形地质的适用性进行研究。