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          日本隔震橋梁的起源與發展

          2021-06-11    作者:admin  閱讀:196次

          日本隔震設計由來已久,其間遭受了幾次大地震的洗禮,經過數代學者的探索,發展至今。特別是1995年阪神大地震之后,日本橋梁隔減震技術得到了廣泛的應用,積累了豐富經驗,技術日趨成熟。


            阪神大地震


            01.


            隔震概念的起源


            隔震的概念由來已久,古代日本在建設寺廟時就沿用中國傳統方法,一層沙一層粘土交互鋪墊下部基礎,比如現存京都的三十三間堂,屹立不倒已750余年。


            京都的三十三間堂


            自上世紀60年代開始,新西蘭、日本、美國等國家就開始了對隔震技術的系統研究。


            70年代起,新西蘭學者W.H.Robinson等率先研發了鉛芯橡膠支座,極大地推動了隔震技術的工程應用。


            然而隔震的概念真正應用到橋梁中是在1980年以后。隨著隔震建筑的應用逐漸推廣逐漸開始得到應用,日本的國土交通省,一批頂尖的研究人員開展了由上至下研發隔減震橋梁的各種嘗試。


            經過多年研究,終于在1991年發表了他們的研究成果,也就是第一個公路橋梁隔震設計指南草案。同年日本第一個隔震橋梁——宮川橋竣工,這也宣告了日本橋梁隔震的誕生。


            日本第一座隔震橋宮川橋


            02.


            日本隔震橋梁的發展


            早期的公路橋梁一般都采用鋼制的橡膠支座或移動支座。


            在橋軸方向,考慮到橋梁上部結構因溫差產生的收縮,一般橡膠支座布置在中央橋柱,其他橋柱和橋臺就需要布置滑動支座,以滿足上部結構收縮。因此這樣的橋梁就需要中間橋柱很強,其他橋柱較弱,因為地震時只有中間橋柱抵抗水平地震力。


            抗震橋與隔震橋的區別

            在隔震橋梁出現之前就有很多橋梁使用橡膠支座,主要是把地震水平力分散到各個橋柱上,以增強橋梁整體抗震性能。


            水平力分散橋不是嚴格意義上的隔震橋,其抗震能力的提高主要是靠水平力分散,但其客觀上起到了一定延長周期的作用,也增加了結構變形能力。


            在1995年兵庫縣南部地震中,傳統式樣的抗震橋梁遭受了慘重打擊,鋼制支座損害嚴重,甚至導致落橋。


            而使用了橡膠支座的橋梁卻基本沒有嚴重的損傷,橡膠支座竟無一破壞。從此,日本興起建設隔減震橋的潮流,1995年之后建設的新橋梁大部分是隔減震橋,對舊橋進行加固改造時,也經常將橋梁支座更換為隔震支座,采用隔減震的方法增加橋梁的抗震性能。


            03.


            橋梁隔震支座


            橡膠隔震支座從原來單一的純天然橡膠支座,發展出了加鉛芯的LRB和人工合成高分子粘彈性材料的高阻尼橡膠(HDR),甚至高阻尼橡膠中加入鉛芯的彈簧約束型鉛芯橡膠支座SPR-S。


            鉛芯橡膠支座LRB


            鉛芯橡膠支座LRB利用橡膠的彈性變形和鉛的塑性耗能分別起到延長的作用。


            由于鉛芯所占比例可以調節,所以在設計上有一定的靈活性。而且LRB的特性穩定,大變形情況下的超彈性硬化現象比較小,但由于鉛芯必須被有效約束,不然就會變成只有橡膠在變形,因此可加入的鉛芯是有限度的。


            然而由于LRB需要大量使用鉛,其未來對環境的影響還不明確,所以后來研發了對環境負擔比較小的高阻尼橡膠HDR。


            HDR隔震支座


            HDR使用的是人工合成高分子材料,又稱之為粘彈性材料,除了用于HDR隔震支座還可用于HDR阻尼器,也有人稱之為粘彈性阻尼器或橡膠阻尼器等。


            SPR-S隔震支座


            結合了LRB和HDR兩者優點的SPR-S,其耗能能力更是有飛躍性的提升。


            04.


            面臨的問題


            雖然在阪神地震等大地震中,隔震支座無一破壞,然而在2011年東日本大地震和2016年熊本地震的時候,均發生了橡膠支座破壞的現象。其中,不排除設計不當和橡膠支座性能不均一等因素,但其中主要原因被認為是與橡膠支座的老化有關。


            2011東日本大地震破壞嚴重


            雖然隔震支座的老化原因還有待進一步研究,但總體上與其室外使用環境有關,如長期受到雨水沖刷、紫外線輻射等,還與在橋端經歷反復伸縮及轉動變形等因素有關。


            因此,隔震支座的后期維護極為重要,一是要對隔震支座進行定期檢查維護;二是在設計制作時就要考慮在出現老化或在地震中受損后可以及時更換。


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