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铅芯橡胶支座(LRB)是低温区抗震的完美解决方案

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11.04.2017

当铅芯橡胶支座和抗震隔离装置安装在气候寒冷地区会发生什么呢? Carlos Mendez-Galindo, Borja Baillés 和 Samy Rassy一直在地震和结构工程学领域做研究。在这种背景下,他们阐述了当铅芯橡胶支座(LRB)、低温、高速公路桥和抗震隔离装置聚在一块时需要注意的障碍以及隐藏的方面。

人们越来越强烈的意识到地震对重要的交通基础设施的威胁,因此,改造地震活跃地带的高速公路高架桥和其他桥梁日趋重要,因为这可以提高它们的抗震能力。技术的改进以及从业者评价和设计能力的提高也有助于此类解决方案-因为现在有严格的国家设计标准。

桥梁适合采用基础隔震技术,因为隔震装置的安装,检测和养护相对简单。抗震隔离对于提高桥梁的抗震性能非常有效,对于它的使用,限制较少 – 主要是在地表运动频繁的土壤松软区。如图1和2所示,抗震隔离通过在地震中增加振动周期来提高桥梁性能。因此,桥梁的振动周期避免了高速的地震周期,这样转移到结构上的地震能量便最小化。转移到结构上的地震能量减少,这种情况下可以使用更多细长的结构构件,这可以为建筑项目节省大量资金。与常规的非隔离结构相比,地震隔离系统提供了一个相对长的振动周期。根据结构动力学的原理,增加被隔离的上部结构的自然频率和主要的地震输入频率的差别可以减少转移到上部结构的地震能量。因此,地震隔离装置在刚性结构系统中会更有效果,并且会为高度灵活的桥梁提供有限的好处。另外一个考量与用于引起桥面大位移的较为严重的地震中的隔震支座可能发生的严重变形有关。这可能会使桥面和桥墩之间发生碰撞的可能性增大。安装功能强大的伸缩缝可以避免这一后果。阻尼对于降低转移到上部结构的地震能量和控制支座的水平位移非常重要。

加拿大,俄罗斯,日本,美国(阿拉斯加)和冰岛都有地震带,让这些区域同时遭遇极冷空气与地震的威胁。所有这些地区中,加拿大的魁北克省人口最密集。
一个特别活跃的地震区就是夏洛瓦地震带,它与加拿大魁北克省东北部的圣劳伦斯河相邻。夏洛瓦地震带每年会发生200多次小地震,是加拿大(图3)地震最频繁的地区之一。因此,毫无疑问,加拿大在全球范围内领先了低温LRB抗震隔离技术的研究。

完美解决方案:铅芯橡胶支座


在众多的抗震隔离系统中,铅芯橡胶支座(LRB)广泛的用于桥梁结构中。这是由于它们简便,可靠,经济,而且它们集隔震和散能能力于一身。使用液压千斤顶,可以很简单的提升需要地震改造的桥梁上部结构以移除原有的支座,并用合适的铅芯橡胶支座替代它们。
铅芯橡胶支座包含交替层天然橡胶(NR)和有限厚度的钢板,以及一块纯度为99%的铅芯。它们的制造过程是直接将橡胶硫化到钢板上,包括上部和下部连接板,并可以提供分开的锚板,将来可以直接进行替换。
铅芯橡胶支座通过限制从地面转移到结构上的能量来保护结构。橡胶/钢层的隔离装置设计成可以承受结构的重量,并实现后屈服弹性。橡胶提供了隔离以及重新居中的功能。在预定的流动应力下,铅芯在剪切变形下发生塑性变形,而铅芯通过发热散能时,滞后阻尼高达30%。

实践证明,使用铅芯橡胶支座隔震的桥梁可以有效的运行,并且在地震中提高了桥梁地震反应。例如,冰岛的肖尔索河大桥在震级为(Mw) 6.6 和 6.5两次地震中都幸存下来,无严重损坏,并在Bessason 和Haflidason5报道该地震后立即通车。同时,在证明于–30 ˚C所做的试验成功之后,玛格巴将会于2017年在魁北克的第三座大桥上安装隔离装置。新的加拿大抗震规范S6-14要求抗震隔离在–30 ˚C保持14天,在–8 ˚C保持14天。A20-A73 和 A40-A73立交就是玛格巴铅芯橡胶支座在魁北克的两个案例。

通过研究,我们得出的结论是广泛用于高速公路桥以达到抗震目的的铅芯橡胶支座无法抵御低温(例如–30 °C),除非是将支座设计和制造的可以抵御低温。尤其是在低温条件下,支座的设计应该确保在其有效刚度内仅允许细微差别。在特殊情况下,可能需要研发新的橡胶混合物,并对抗震装置的总体设计进行修改,以及通过全面的原型试验验证其低温性能。

Authors: Carlos Mendez-Galindo, Borja Baillés and Samy Rassy, all three work for mageba

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News-Reduction of acceleration by seismic isolation

图1:仅通过隔震来减少加速度。

News-Reduction of acceleration by additional damping

图2: 通过额外的阻尼减少加速度。

NEWS-Seismic areas in Eastern Canada

图3:加拿大东部的地震活动区 - 特别是魁北克省东北部的夏洛瓦地震带。 夏洛瓦地震带每年会发生200多次小地震,是加拿大地震最频繁的地区之一。

News-A40_A73 Interchange

图4:A40-A73立交 – 用玛格巴LRBs地震隔离的结构

News-A20_A73 Interchange

Fig. 5: 魁北克Levis A20/A73 高速公路立交。另一个用玛格巴LRBs地震隔离的结构