减隔震设计

减隔震设计（精选7篇）

减隔震设计 篇1

1 引言

桥梁工程是城市发展过程中关键的交通枢纽, 其在抗震减灾、危机处理过程中能够发挥十分重要的作用。通常情况下, 在发生地震灾害时, 如果桥梁工程遭受破坏, 将会对地震灾区的交通生命线造成严重的阻碍, 从而使得地震危害进一步扩大, 大大增加了抗震减灾与灾后重建的难度, 此情况下, 必须提升桥梁抗震性, 以强化区域安全。

2 桥梁抗震设计方法

2.1 基于强度基础上的设计方法

在传统桥梁抗震设计中, 大多采用基于强度基础上的抗震设计方式, 即为将地力作为静荷载进行工程结构分析, 并且通过结构构件的强度或是刚度来判断桥梁结构的有效性。就目前情况来看, 我国大多数设计单位依旧在使用此种设计方式。

2.2 基于延性基础上的设计方法

通过分析桥梁结构自身特征, 少数设计人员提出了基于延性基础上的抗震设计方法, 其能够通过地震力来修正相关系数、合理调整弹性、分析地震内力与反映谱加速度, 以满足不同结构的延性需求。以某国家AASHTO桥梁设计规范为例, 该项规范主要针对桥墩、基础、支座等构件, 采用不同的R (地震反应修正系数) , 对弹性地震力进行适当的折减, 以获得地震力设计值。

2.3 基于性能基础的抗震设计

所谓基于性能基础上的抗震设计, 主要是指在抗震结构受到不同等级地震作用下能够实现预期目标的设计方式。通过采用此种抗震设计方式, 能够在一定地震强度范围内, 将人员伤亡、经济损失控制在合理范围内, 以此来使得桥梁工程能够在地震之后继续使用。

通过详细的分析可以发现, 此类设计方式能够将抗震设计从宏观定性转变为具体量化, 将抗震设计目标从确保人们生命财产安全转变为满足不同地震水下性能目标。通过多方位、多层次抗震设计, 确保人们生命财产安全, 满足建筑商所要求的安全性能目标。

3 桥梁抗震设计主要实现途径

3.1 减隔震技术原理

桥梁结构设计中的减隔震技术是在减隔震装置前提下形成的, 当发生地震灾害时, 通过减隔震装置的使用, 能够有效分散地震作用, 特别是能够分离支座运动与地面运动, 以减少地震作用, 并且还能够对桥梁结构产生一种良好的缓冲效果。

在桥梁结构设计过程中, 通过减隔震技术的应用, 能够有效避免地震作用对桥梁结构整体性造成破坏, 特别是当地震级别过于高时, 可有效避免桥梁结构塌陷问题的发生。因此, 桥梁结构抗震延性设计是减隔震技术应用过程中必须要落实的事项。通常情况下, 可通过混合控制技术、主动控制技术、被动控制技术对桥梁结构进行合理的控制, 减隔震技术是在这三种桥梁结构控制基础上形成的。通过被动控制理论的使用, 能够合理安排桥梁结构, 进而最大限度的减少桥梁结构设计中结构地震响应。

3.2 减隔震技术分类

通常情况下, 减隔震技术可分为以下几种: (1) 基础隔震, 即为在基础结构与上部结构件进行隔震装置的布设, 一般包括能量吸收、绝缘与周期延长等方式。其中, 能量吸收主要是指采用减震装置来吸收能量, 以规避地震灾害发生时较大变形问题的出现。对于周期延长方式, 则是指通过设置某种装置来加长整体结构体系周长的方式。 (2) 地基隔震方式, 主要包括绝缘、屏蔽两种方法, 其中, 屏蔽主要包括通过将屏蔽板埋设在建筑物四周或是在周围挖设深沟等方式。对于绝缘, 则为采用高刚性基础, 软弱基础与利用地基逸散衰减方法来降低地基自身输入波。

3.3 减隔震技术

3.3.1 减隔震技术

减隔震技术需依靠结构构件的强度, 但相比于传统技术, 其能够更好的控制压力的损害。同时, 通过减隔震技术的应用, 能够有效延长桥梁工程振动周期, 消耗、分散由地震内部传播的能量, 从而最大限度的降低其水平力传递压力, 最终实现有效降低地震灾害对桥梁工程造成的损害。

但在减少损害的过程中, 桥梁内部构件也会由于地震压力而出现位移, 虽然不会对桥梁自身造成巨大的损害, 但存在一定的风险, 因此, 在对减隔震装置安装操作进行控制时, 需进行一定的计算, 确保构件不会出现偏离安全位置的情况。近年来, 随着科技的迅速发展, 新型减隔震技术获得了越来越广泛的运用, 通过大量研究与实践结果可知, 减隔震技术的应用, 能够有效防治、抵御地震灾害带来的损害, 从而为人们的生活提供较大的便利。

3.3.2 减隔震技术的适用条件

要想充分发挥减隔震技术的效果, 需要具备一定的保证条件, 例如在场地较软或是在延长桥梁结构周期之后, 极容易发生共振问题, 此时不宜采用隔震技术。针对此种情况, 在应用隔震技术之前, 需对桥梁工程项目进行合理的判断。对于能够采用隔震技术的条件, 主要涉及地震波的角度、结构的角度、场地的角度等。

3.4 减隔震装置

3.4.1 分层橡胶支座

分层橡胶支座又被称为板式橡胶支座 (图1) , 其结构主要是由薄钢板、薄橡胶片相互交替结合而构成的, 大多为圆形或矩形构成的支座形状。在抗震设计过程中, 通常需要对阻尼作用与水平刚度进行重点考虑。

一般情况下, 橡胶支座主要通过消耗变形过程中的能量为支座提供阻尼, 橡胶层变形的速度决定了阻尼的大小。通过相关研究可知, 采用天然橡胶制作的支座阻尼约为5~10%, 分层橡胶提供的阻尼通常较小, 针对此, 在进行减隔震桥梁设计时, 常采用综合使用分层橡胶支座与阻尼器的方式进行。

3.4.2 铅芯橡胶支座

将纯度较高的钻芯垂直压入板式橡胶支座的中心或中部 (图2) , 可有效改善橡胶支座阻尼性能, 这种支座就是铅芯橡胶支座。铅芯具有屈服剪力低、力学特性良好、初始剪切刚度高的特征, 在使用过程中, 能够较好的提高静力荷载下的刚度和地震下的耗能能力, 所以, 其可满足桥梁工程减隔震技术要求。此外, 在水平力较低的情况下, 初始刚度较高, 支座变形的幅度较小, 当地震发生时, 在地震力作用下, 铅芯出现较小的变形情况, 此时可适当降低刚度, 就能够实现延长结构使用周期的目的, 并且还可消耗一定的地震能量。

3.4.3 滑动摩擦型减隔震支座

滑动摩擦型支座又称为聚四氟乙烯滑板支座, 此类支座主要利用聚四氟乙烯材料与不锈钢之间较低的摩擦系数制作而成的。当地震发生时, 在地震力的作用下, 上部支座将在摩擦面上经滑动摩擦型支座允许发生滑动摩擦现象, 在地震力从上部结构转移到下部结构时, 滑动摩擦型支座将地震力限制为支座的最大摩擦力, 从而大幅消耗地震能量。此类支座缺陷在于一旦发生移动, 没有自我复位能力, 所以将滑动摩擦型支座用作隔震支座时, 无法预测支座的可靠性。在实际使用过程中, 通常将其与阻尼器与橡胶支座等组合使用。

3.4.4 钢阻尼器

钢阻尼器耗能原理在于利用钢材自身的可塑性, 其具备制作简便、费用较少、耐用、耗能能力较大的优势, 在进行钢阻尼器的选用时, 可依据放置位置、空间、位移与连接结构件的差异, 选用适宜类型的阻尼器, 以确保其满足项目需求。

4 结语

综上所述, 在进行桥梁抗震与减隔震设计时, 需充分做好相应的准备工作, 并且还要严格的检验原材料质量。同时, 还要强化对桥梁工程项目安全性能的监控与检测, 及时修补不适宜事项, 合理改进施工路线与方案, 强化桥梁减隔震对桥梁安全的维护作用。

参考文献

[1]赵宏伟.大跨度桥梁抗震设计实用方法[J].公路交通科技:应用技术版, 2015 (05) :46~48.

[2]黄邦利.试论道桥防震设计及桥梁减隔震技术[J].中国化工贸易, 2013 (12) :273.

[3]许延祺.长联多跨连续梁桥抗震分析及减隔震技术的应用研究[J].特种结构, 2016 (01) :88~90.

减隔震设计 篇2

随着城市现代化进程不断加快、城市人口的大量聚集和经济的高速发展, 交通网络在整个城市生命线抗震防灾系统中的重要性不断提高, 对桥梁的依赖性越发增强。而近几十年全球发生的多次破坏性大地震表明, 作为抗震防灾、危机管理系统重要组成部分的桥梁工程在地震中受到破坏, 将严重阻断震区的交通生命线, 使地震产生的次生灾害进一步加重, 给救灾和灾后重建工作带来极大困难。同时, 桥梁作为重要的社会基础设施, 投资大、公共性强、维护管理困难。提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施之一。根据以往地震中桥梁的震害情况, 钢筋混凝土桥梁常见的破坏形式主要分为上部结构破坏、支座破坏、下部结构破坏和基础破坏等。

2 桥梁抗震设计方法的发展

2.1 基于强度的设计方法

早期的抗震设计基本采用基于强度的抗震设计方法, 将地震力当作静荷载进行结构分析, 以结构构件的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。且该方法是目前许多抗震设计规范仍采用的设计方法。

2.2 基于延性的设计方法

结合桥梁结构弹塑性破坏的特点, 一些学者提出了基于反应谱的延性抗震设计方法。该方法采用地震力修正系数调整反应谱加速度或弹性分析的地震内力, 来反映不同结构的延性需求如美国AASHTO桥梁设计规范就针对桥墩、基础、支座等构件, 采用不同的地震反应修正系数R对弹性地震力进行折减, 得到设计地震力。

2.3 基于性能的抗震设计

基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想, 主要指结构在受到不同水平地震 (不同概率地震) 作用下的性能达到一组预期的性能目标。基于性能的抗震设计是使设计出的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内, 使结构震后的功能得以延续和维持。

基于性能的抗震设计的特点是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡, 将抗震设计由以保障人们生命安全为基本目标转化为不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标, 从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命财产安全, 满足业主所需的结构性能目标。

基于性能的抗震设计内容主要包括:1) 科学的定义和确定地震危险性;2) 确定结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平和性能指标;3) 设计方法, 主要包括承载力设计方法、位移设计方法和能量设计方法等。

3 桥梁减隔震技术

3.1 减隔震技术的概念和发展

减震是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件, 改变结构的动力性能, 耗散结构吸收的地震能量, 从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入, 以此降低结构地震反应。对桥梁结构采用隔震技术的思想产生由来已久, 减隔震技术自诞生以来, 受到了广泛的重视。第一座采用减隔震技术的桥梁是新西兰的Motu桥, 建于1973年, 上部结构采用滑动支承隔震, 阻尼由U形钢弯曲梁提供。该桥建成后, 减隔震技术在桥梁抗震中得到了迅速推广。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在1984年, 用于对Sierra Point Bridge进行抗震加固。1990年, 美国新建了第一座采用减隔震技术的桥梁Sexton桥。在日本, 第一座建成的减隔震桥梁是静岗县横跨Keta河的宫川大桥, 完成于1990年, 是一座3跨连续钢桁架梁桥, 采用铅芯橡胶支座作为减震构件。

3.2 常用减隔震装置

1) 分层橡胶支座。

分层橡胶支座, 国内常称为板式橡胶支座。其基本构造如图1所示, 由薄橡胶片与薄钢板相互交替结合而成, 支座平面形状多采用圆形或矩形。在抗震设计中主要考虑分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用等因素。橡胶支座的水平剪切刚度, 指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力。橡胶支座通过在变形过程中消耗能量提供阻尼, 这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座, 典型的阻尼比为5%～10%。分层橡胶支座的力—位移滞回曲线呈狭长形, 所提供的阻尼较小, 因而在减隔震桥梁设计中, 常与阻尼器一起使用。

2) 铅芯橡胶支座。

铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上, 在支座的中部或中心周围部位竖直地压入高纯度铅芯以改善支座阻尼性能的一种减震支座。 铅芯具有良好的力学特性, 具有较低的屈服剪力 (约10 MPa) , 具有足够高的初始剪切刚度 (约130 MPa) , 具有理想弹塑性性能且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能, 能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度。因此, 由铅芯和分层橡胶支座结合的铅芯橡胶支座能够满足一个良好减隔震装置所应具备的要求:在较低水平力作用下, 具有较高的初始刚度, 变形很小;在地震作用下, 铅芯屈服, 刚度降低, 延长了结构周期, 并消耗地震能量。

3) 滑动摩擦型减隔震支座。

滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间相当低的滑动摩擦系数制成。也称为聚四氟乙烯滑板支座。这种支座具有摩擦系数小, 水平伸缩位移大的优点, 作为桥梁活动支座十分适宜。在地震作用下, 滑动摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动, 从而将上部结构能够传递到下部结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦, 同时通过摩擦消耗大量的地震能量。这类支座的缺点是没有自复位能力, 用作隔震支座时, 支座响应的可预测性和可靠性都不尽如人意, 所以常与阻尼器和橡胶支座等其他装置一起使用。

4) 钢阻尼器。

钢阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。如图2所示为三种典型的钢阻尼器:a.有横向加载臂的均匀弯矩弯曲梁阻尼器, 加载臂有一倾斜角度;b.锥形悬臂弯曲梁阻尼器;c.有横向加载臂的扭梁阻尼器。钢阻尼器的优点是制造不需要特殊设备, 费用比较合适, 坚实耐用, 又具有较大的耗能能力。试验研究表明, 大多数钢阻尼器的滞回曲线可用双线性来近似模拟。不同类型钢阻尼器的选择取决于阻尼器放置的位置、可利用的空间、连接的结构以及力和位移的大小。

钢阻尼器通常和橡胶隔震支座一起使用, 如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂钢阻尼器就是一种合理组合。

3.3 减隔震装置的选择

桥梁的减隔震系统应满足如下三个基本功能:1) 具备一定的柔度, 用来延长结构周期, 降低地震力;2) 通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散, 并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内;3) 具备一定的刚度和屈服力, 在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。

进行减隔震设计时, 应将重点放在提高耗能能力和分散地震力上, 不可过分追求加长周期。而且应选用作用机构简单的减隔震装置, 并在其力学性能明确的范围内使用。另外, 减隔震装置不仅要能减震耗能, 还应满足正常运营荷载的承载要求, 因此选择减隔震装置时, 还应注意以下一些要求:1) 在不同水准地震作用下, 减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力;2) 减隔震装置应具有较高的初始水平刚度, 使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动;3) 当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时, 减隔震支座产生的抗力应比较低;4) 减隔震装置应具有较好的自复位能力, 使震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置。

4 结语

随着人类对地震灾害特性和桥梁工程震害特点的深化认识和深入研究, 桥梁抗震设计方法经历了从强度、延性设计到基于性能发展的过程, 伴随桥梁减隔震技术的发展和应用, 将大大提高地震作用下桥梁的安全性, 减轻地震损失, 并为震区的震后交通生命线畅通和救灾工作的顺利提供有力保障。

摘要：针对桥梁工程的地震破坏, 从震害形式、抗震设计方法和减隔震技术的发展等方面对桥梁抗震技术作了论述, 表明伴随桥梁抗震设计方法和减隔震技术的发展, 桥梁震害将大大减轻。

关键词：桥梁震害,抗震设计,减隔震

参考文献

[1]范立础, 卓卫东.大跨度桥梁抗震设计[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[2]聂利英.桥梁抗震非线性分析理论研究[D].上海:同济大学桥梁工程系博士学位论文, 2002.

[3]颜海泉.地震作用下桥梁结构的阻尼建模[D].上海:同济大学桥梁工程系博士学位论文, 2008.

[4]韩建平, 吕西林, 李慧.基于性能的地震工程研究的新进展及对结构非线性分析的要求[J].地震工程与工程振动, 2007 (27) :15-23.

减隔震设计 篇3

关键词：减隔震技术,桥梁结构设计,应用分析

减震是指使用特殊减振部件或设备进入塑性区的强烈地震中, 产生较大的阻尼, 然后大量耗散系统的能量。隔震是使用隔震制度, 并试图阻止主体结构的地震能量。在实践中, 经常把这两个系统连接在一起。通过选择适当的降低减隔震装置和设置位置, 可以实现控制结构的内力分布和大小的目标。本文主要研究减隔震技术基础知识, 分析减隔震技术缺陷与不足, 探讨减隔震技术装置分类, 为施工企业在减隔震技术运用方面的进一步开展提供借鉴。

一、减隔震技术基础知识

1. 减隔震技术概念

减隔震技术主要是分为减震技术以及隔震技术两大方面, 其中减震技术的关键在于阻尼以及耗能构件。阻尼以及耗能构件并不是自然装置, 而是施工人员人为的将这些装置设置在桥梁结构的某些位置。通过阻尼以及耗能构件的设置, 可以起到进一步改变桥梁结构动力性的目的。除此之外, 耗能构件在地震发生时, 可以通过自身的结构, 对于地震能量进行吸收。从而使得桥梁结构可以受到地震冲力的缓冲, 更好的保持住桥梁结构的稳定性与完整性。另一方面, 隔震也是一种特殊的结构类型。它与减震不同的是, 它是具有震动周期的特殊结构。在地震发生时, 同样可以使得桥梁结构的地震能量输入。从而使得桥梁结构缓冲地震力量, 更好的保护桥梁结构。

2. 减隔震技术机理

减隔震技术作用与功能的发挥, 是建立在间隔振装置的基础上的。间隔振装置在地震发生时, 可以将来自地震的作用力进行分散。尤其是将支座运动与地面运动相分离, 从而最终达到地震能量减少与缓冲的效果。为了进一步发挥减隔震技术作用与功能, 提高间隔振装置的抗震性能, 间隔振装置设计单位还需要注意以下两个方面的内容。

(1) 延性设计

在桥梁结构的合适位置, 设计单位需要设置好塑性铰, 同时对于桥梁结构的细部进行详细构造, 这就是桥梁结构抗震延性设计。延性设计的目的是为了保证地震时桥梁结构的整体性, 尤其是地震等级过高时, 可以起到防止结构倒塌的目的。在采用延性设计方法时, 设计以及施工单位需要注意的是, 延性设计方法很有可能会导致桥梁结构性损害。图1显示的是有隔振与无隔振时, 桥梁单质量结构最大基底剪力差距。

(2) 结构控制方法

桥梁结构控制方法技术比较繁琐, 例如常用的是以下三种, 混合控制技术、主动控制技术、被动控制技术。减隔震技术便是建立在这些技术的基础之上, 主要是运用被动控制理论, 对于桥梁结构进行合理安排, 从而达到减小结构地震响应的目的。结构控制方法是减隔震技术运用中, 提高桥梁结构抗震性能的有效方法。

二、减隔震技术适用条件

减隔震技术运用于桥梁结构中是有一定的条件的, 并不是适用于全部情况。有些情况是不适宜运用减隔震技术的, 例如桥梁建设周期过长等情况, 是不适合使用减隔震技术的。因此, 在桥梁结构抗震设计之初, 设计单位就必须要做好相应的准备, 提前确定是否使用减隔震技术。笔者经过多年工作实践经验, 加上众多参考文献的研究, 指出以下几种情况是适宜减隔震技术应用的。第一, 从地震波的角度来讲, 地震波如果属于高频波, 而且能量过于集中, 那么是可以使用减隔震技术的。第二, 从桥梁结构的角度来看, 如果桥梁结构规范, 而且没有出现桥梁墩高过高或者过低的情况, 这也是可以运用减隔震技术的。第三, 角度方向。桥梁结构设计以及施工之前, 施工企业给予不同的点, 针对不同的点预计点的地面运动规律与特点, 同时从不同的角度进行观察。如果符合桥梁结构施工要求, 那么也是可以运用减隔震技术的。

三、减隔震技术缺陷与不足

首先, 我国桥梁结构的减隔震技术运用比较晚, 与其他发达国家在减隔震技术运用方面有着巨大的区别, 尤其是在减隔震技术规范方面。由于缺乏必要的经验与理论, 减隔震技术应用规范极为不完善。减隔震技术更加的关注结构细节与构造, 如果在结构细节与构造方面设计不合理, 很有可能直接导致减隔震技术的无效性。目前, 国家对于减隔震技术的应用还是缺乏统一规范, 缺乏必要的检测标准与设计理念, 这种情况直接阻碍了减隔震技术的运用与发展。另一方面, 我国在桥梁结构产品市场化过程中存在着一些问题。如果不合格的桥梁结构产品进入到桥梁结构中, 一旦发生地震, 即使是运用了减隔震技术, 那么同样也会产生严重的后果。

其次, 减隔震技术并不是单独起作用的, 它是需要桥梁结构、抗震设备以及其他结构的共同运营下起作用的。对于减隔震技术的运用还需了解当地地震等级与预期。在这一方面, 工作人员的作用也就越来越重要了。工作人员需要了解不同水平地震作用, 对于桥梁底部结构、基础结构以及传输路径甚至包括基础结构的性能变化有着深刻的了解。为了对于以上问题进行合理解决, 需要的是设计人员的设计经验以及地震性能性分析。在这个过程中, 设计人员以及其他调查人员或多或少都会产生一些错误, 甚至一些失误是不可避免的, 这样会影响到减隔震技术在桥梁结构中的运用效果。

四、减隔震技术装置分类

总体来讲, 减隔震技术装置主要是分为以下几种。第一, 分层橡胶支座。分层橡胶支座主要是建立在钢板以及橡胶板的基础上的, 其中分层橡胶支座的轴承大多是矩形或者是圆形。而对于分层橡胶支座设计中, 考虑最多的要数阻尼以及水平刚度。一般来讲, 分层橡胶支座的阻尼比要控制在5%~10%左右。层状橡胶轴承的力—位移的磁滞曲线是一个细长的, 所提供的阻尼小。因此在减震隔震桥梁设计中, 经常和阻尼一起使用。第二, 铅芯橡皮支座。铅芯橡皮支座需要高纯度的铅芯, 一般情况下, 铅芯的纯度要控制在98%以上, 铅芯橡皮支座主要是通过截面积以及铅芯直径选择阻尼。因此铅芯橡皮支座在对于轴承的选择上要具备较大的灵活性, 同时还需要有较强的耐久性。

第三, 滑动摩擦型减隔震支座。滑动摩擦隔震滑动隔震的原理是:当滑动结构的上部结构地面的摩擦力较小, 静摩擦力阻止上部滑动, 保持稳定。超过一定限度的局部表面摩擦的最大静摩擦力开始下滑, 并充分发挥隔震效果。

五、结语

综上所述, 随着我国桥梁施工的大规模进行, 对跨越强震桥梁的建造和桥梁结构抗震性能的重视正在加强。从最近几年的工程应用中可以看出, 我国也在不断加大在桥梁减隔震技术方面的研究和探索。尽管施工企业在减隔震技术运用方面积累了丰富的经验, 取得了重大的进展, 但是实际减隔震技术运用中, 还是存在着很多的问题。深入研究当前减隔震技术运用现状, 提升减隔震技术水平, 是今后我国施工企业在减隔震技术运用方面的重要课题与方向。

参考文献

[1]王淑涛, 刘兆光, 胡盛.减隔震技术在大跨度预应力混凝土连续梁桥设计中的应用[J].公路, 2011.

减隔震设计 篇4

云南某特大桥由主桥和引桥两部分组成, 主桥采用 (88+160+88) m预应力混凝土连续刚构桥, 单箱单室, 箱梁顶板宽12 m, 底板宽6.5 m。箱梁高度由根部9.6 m按1.8次曲线渐变至跨中3.5 m;底板厚度由根部1.0 m按1.8次曲线渐变至跨中0.32 m。引桥采用25 m先简支后连续预应力混凝土T梁, 小桩号侧为1跨, 大桩号侧为15跨。主墩采用双肢等截面矩形截面, 墩中距9.0 m, 单肢顺桥向宽度为3.0 m, 横桥向宽度为7.5 m, 最大墩高72 m。主桥桥墩基础采用9根2.5 m直径的桩基础。

2 地震动特性及抗震概念设计

本桥桥址处于典型的地震断层附近, 所以在进行桥梁抗震设计前, 首先必须了解近断层地震动的特性。在以往的研究中, 人们通过对近断层强震观测资料的分析、地震震源过程的反演和近断层地震动的数值模拟, 发现近断层地震动明显不同于远场地震动, 其基本特征主要表现在: (1) 高地表最大加速度 (PGA) 与高地表最大速度 (PGV) ; (2) 速度脉冲效应; (3) 具有极高的速度增量; (4) 显著的能量脉冲; (5) 显著的永久地表位移; (6) 显著的竖向地震动[1,2]。

采用非线性时程分析考虑结构的地震响应, 时程分析方法采用Newmark非线性直接积分法, 考虑恒载的初始效应。地震动时程曲线见图1。

本桥抗震概念设计考虑到上述近断层地震动特性第6条, 地震激励中将有很大的竖向效应, 此时支座可能会受到较大的拔拉力 (负反力) , 橡胶支座的性能将受到很大的影响, 所以, 应尽量避免采用减隔震橡胶支座。又考虑到上述近断层地震动特性第5条, 主梁和过渡墩及桥台之间很可能存在较大的相对位移, 所以, 必须增加限位装置。本桥减震设计的具体方案如下: (1) 纵桥向抗震体系:过渡墩、桥台纵桥向活动盆式支座+过渡墩、桥台安装油阻尼器; (2) 横桥向抗震体系:过渡墩、桥台横桥向固定盆式支座。

3 无阻尼自由振动特性

阻尼器的参数设计实际上是一个结构设计、阻尼器参数设计、经济效益综合分析及减振预期控制目标的综合设计过程。本次设计全桥共安装5个阻尼器, 过渡墩安装3个, 桥台上安装2个。参考国内已建使用阻尼器的部分大跨桥梁的相关阻尼器参数并经试算优化, 最终确定过渡墩阻尼器阻尼系数2 500 k N/ (m·s-1) , 速度指数0.3, 桥台阻尼器阻尼系数1 000 k N/ (m·s-1) , 速度指数0.3。

根据桥梁结构的总体布置, 采用Frame3D有限元分析程序建立了全桥三维有限元模型。主梁和墩柱模拟为考虑了剪切变形的三维弹性铁幕辛克梁单元。群桩基础-地基体系采用简化的分层文克尔地基梁模型模拟。土体动m值参考《公路桥梁抗震设计细则》取值为地基规范静m值的2.5倍, 土弹簧的设置除了按土质的不同分层外, 还遵循上密下稀的原则。过渡墩及桥台处活动盆式支座模拟为双线性理想弹塑性单元, 桥梁空间有限元模型见图2。

结构的无阻尼自由振动特性主要是和自身的质量和刚度密切相关, 本次分析采用桥梁结构比较适用的集中质量法形成结构的质量矩阵, 且因为结构墩和主梁均属于薄壁箱型截面, 所以在考虑质量时除了考虑常见的平动质量外, 对主梁、墩还均考虑了转动惯量, 这样较精确地得到了全桥的质量矩阵。振型分析采用子空间法, 表1列出了大桥的前5阶周期、频率及振型。其中第1阶周期3.571 s, 且为纵向振动, 可以看出主墩横向刚度大于纵向刚度。

4 空心墩的混凝土本构

桥梁的主墩及过渡墩均为薄壁空心截面墩, 为了更准确地了解墩柱的非线性抗弯能力, 必须详细分析墩柱的混凝土本构。本次分析结合Mo等人及日本的最新研究成果[3]对桥墩的延性能力进行了专项研究, 桥墩的混凝土单轴受压非线性本构中的重要参数见表2, 混凝土本构曲线见图3、图4。

5 地震响应分析

安装阻尼前和安装阻尼器后大桥的主要地震响应见表3, 主梁与墩台相对位移时程曲线见图5。可以看出, 安装阻尼器后, 阻尼器起到了很好的限位作用, 大桥的顺桥向位移得到明显控制, 峰值位移经减震设计后减小了70%以上。

6 结论

(1) 近断层地震动一般含有巨大的竖向成分, 有时甚至比水平成分要大, 所以在近断层桥梁设计中应尽量避免采用橡胶支座或增加抗拔拉装置;

(2) 国内以往大跨刚构桥的抗震很多只重视内力响应部分, 但实际上桥梁的位移响应也必须得到重视, 特别是在近断层或高烈度区域, 梁端相对位移将非常大, 若不加以限制将导致主梁梁端与盖梁脱落、相邻联主梁撞击等灾害。本文拟采用阻尼器的减震设计来增加整桥的阻尼, 消耗地震能量。增加阻尼器前主梁两端相对位移达到800 mm以上, 当采用阻尼器后, 主梁两端相对位移分别减小315 mm及194 mm, 峰值位移经减震设计后减小了70%以上, 从而可以发现增加阻尼器将明显改善结构的位移响应, 减小了主梁梁端的碰撞危害;

(3) 阻尼器速度指数为0.3, 属于典型的非线性阻尼器, 阻尼器与结构受力耦合程度较强, 所以阻尼器附加给过渡墩的力较大达到甚至大于结构未设置阻尼器时的受力, 过渡墩顺桥向墩底弯矩从63 474 k N·m增加到了127 169 k N·m。但同时阻尼器也使得地震力得到了分摊, 主墩顺桥向墩底弯矩从414 181 k N·m减小到了172 878 k N·m。可以看出主墩响应明显降低。所以对于安装了阻尼器的本桥来说, 过渡墩的抗震性能是重点;

(4) 高墩刚构因为墩高体系柔, 主要震害为主梁梁端的过大位移和主墩承受较大弯矩, 本文采用在过渡墩处增加阻尼器的方案明显降低了梁端位移及主墩受力但相应地也增加了过渡墩或桥台的内力响应, 通过对阻尼器参数的优化最终使整桥的位移响应与内力响应达到了一个比较理想的平衡点。

摘要：高墩大跨连续刚构桥在西部山区应用非常广泛, 当桥梁位于近断层地区时, 迫切需要解决桥梁抗震问题。以云南某高墩大跨连续刚构桥为工程背景, 基于合理混凝土本构对比减震与非减震结构地震响应, 提出了优化减震设计方案。

关键词：桥梁工程,高墩大跨连续刚构,抗震设计,Frame 3D,油阻尼器

参考文献

[1]陈亚军, 姜成启, 王爽, 等.睢宁二站进场交通桥支座抗震设计探讨[J].中国水运, 2012, 12 (10) :196-197.

[2]JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].

浅析桥梁减隔震支座及分析方法 篇5

减隔震, 顾名思义, 就是把可能会引起破坏的地面运动与结构上尽量分离开。而要做到减隔震的最基本途径就是把结构周期通过一些方式延长, 进而很好的避开地震能量集中范围, 阻止地震引起的能量传递到结构结构体上来, 减小了地震能量对结构体的作用。其中通过引入隔震装置, 就是对在地震波中的结构动力响应特性进行改变, 减少地震能量的输入, 就是达到了抗地震的效果, 而这就是桥梁减隔震的设计。

1.1 常用的减隔震装置

满足使用要求的隔震装置应能支承结构, 同时提供水平柔度和耗能能力。

(1) 分层橡胶支座。分层橡胶支座, 也常被称为板式橡胶支座。由薄橡胶片与薄钢板相互交替压缩而成, 支座平面形状多采用圆形或矩形。在抗震设计中主要考虑的因素是分层橡胶支座的水平刚度和阻尼作用。橡胶支座的水平剪切刚度是指上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力。橡胶支座通过在变形过程中消耗能量提供阻尼, 这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座, 典型的阻尼比为5%~10%。分层橡胶支座的力—位移滞回曲线呈狭长形, 所提供的阻尼较小, 因而在减隔震桥梁设计中, 常与阻尼器一起使用。

(2) 铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是板式橡胶支座的优化, 它是在板式橡胶支座的中部或中心周围部位竖直地压入高纯度铅芯, 从而改善支座阻尼性能, 达到减震的目的。铅芯具有很多优良的力学特性, 屈服剪力低 (约10 MPa) , 初始剪切刚度高 (约130 MPa) , 弹塑性性能十分理想, 另外, 它对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能, 能够提供地震下的耗能能力和静力荷载下所必需的刚度。因此, 铅芯橡胶支座具备一个良好减隔震装置所应具备的条件:在较低水平力作用下, 具有较高的初始刚度, 变形很小, 在地震作用下铅芯屈服, 刚度降低, 从而延长了结构周期并消耗大量的地震能量。

(3) 滑动摩擦型减隔震支座。滑动摩擦型支座利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间相当低的滑动摩擦系数制成。也称为聚四氟乙烯滑板支座。滑动摩擦型减隔震支座的优点是:摩擦系数小, 水平伸缩位移大, 非常适宜于用作桥梁活动支座。滑动摩擦型支座允许上部结构在摩擦面上发生滑动, 因此, 当地震作用发生时, 支座能能够把从上部结构传递到下部结构的最大地震力限制为支座的最大摩擦, 同时, 大量的地震能量也通过摩擦而被消耗掉。

2 桥梁减隔震分析方法

2.1 桥梁减隔震的线性等效

从经济性方面考虑, 桥梁抗震设计允许部分构件在强地震作用时通过非弹性变形的方式耗散地震能, 所以, 在进行抗震分析时, 必须把结构的非弹性特性放在考虑范围之内, 并评估其变形能力。而最有效的分析方法就是非弹性线性时程分析法。适用这种方法要求给定结构和地震波等条件。在设计过程中, 由于结构材料选择的多样性, 给定场地地震波形式的多种可能性, 因此设计方案就会有多种选择。一般为了获得最可能的分析结构, 常常取若干组有代表性的地震波进行计算。即使如此, 用非线性时程法进行重复性运算, 其计算量也是非常大的。因此, 如果能采用一种简便而且实用的分析方法将是非常有意义的。

多年来, 诸多科研学者为了简化结构计算, 为了寻求将非弹性体系等效为线弹性体的方法做了很多研究。等效线性化方法在桥梁的非弹性地震反应分析中 (减隔震和延性抗震) 是一种即有效又简化的算法, 另外, 等效线性化方法还可借助反应谱理论对减隔震桥梁进行简便实用的快速分析。然而, 不尽如人意的是, 这种方法对于大型减隔震桥梁的简化并不十分实用。

2.2 铅芯橡胶支座的等效线性反应谱分析

在设计中, 根据不同的分析方法, 铅芯橡胶支座的分析模型可分为等效线性分析模型和非线性分析模型两大类。等效线性分析模型就是用一个近似的线性模型来描述实际非线性模型, 这样桥梁的动力响应就可以利用线性模型的特性来分析了。等效线性分析模型主要用于反应谱分析, 有刚度和阻尼比两个力学参数。非线性分析模型主要用于非线性静力分析和非线性动力时程分析中。

值得指出的是, 两种分析模型的设计参数均是试验研究得出的经验值。

反应谱分析方法建立在振型分解反应谱理论基础上。振型分解理论将结构的地震作用响应分解为各振型分量的叠加, 即对应每个振型都有一个地震作用, 然后通过一定的组合方法叠加各振型结构的地震响应得到最终总的结构地震响应值, 同时该方法主要适用于桥型规则的桥梁。

反应谱可分为两种:即地震反应谱和设计反应谱。在工程上, 设计反应谱被广泛应用。设计反应谱的获得是运用统计的方法, 根据多条地震反应谱取平均或取包络并通过人为调整最终得到的, 因此, 它含有一些人为调整的因素。

3 算例:三跨连续梁支座地震反应谱分析

桥梁计算总长 (75+160+75) m, 墩身高度42 m, 墩身横截面 (1.2×1.6) m, 采用c45砼, 设定的加速度峰值加速度峰值0.12 g。铅芯橡胶支座。支座参数:截面直径520 mm, 铅芯一个, 铅芯直径70 mm, 支座总高度190 mm, 支座初始弹性刚度8700 k N/m, 支座屈服刚度10200 k N/m, 剪切模量1.06 MPa,

用桥梁结构分析软件MIDAS建立顺桥向的线性分析模型, 采用反应谱分析方法。桩底固结, 承台底与桩之间采用刚性连接单元 (图1~图3) 。

从2#支座的滞回曲线可以看出, 该支座的性能满足减隔震要求。

4 结语

综上所述, 对采用减隔震装置的桥梁应用等效线性模型进行反应谱分析得出支座滞回曲线的抗震分析方法在工程实践中是可行的, 有效的。

摘要：本文介绍了桥梁减隔震设计的常用装置及分析方法, 同时用一个具体算例来验证铅芯橡胶支座的减隔震效果。

关键词：减隔震,支座,线性,反应谱

参考文献

[1]GB50111—2006铁路工程抗震设计规范 (2009年版) [S].北京:中国计划出版社, 2009.

[2]JTG/TB02—01—2008公路桥梁抗震设计细则[M].北京:人民交通出版社, 2008.

[3]商耀兆, 陈兴冲.新型减隔震支座的研究[J].兰州交通大学学报:自然科学版, 2006, 25 (6) :76-79.

减隔震建筑物动力特性对比研究 篇6

在建筑物中设置一层由隔震支座组成的隔震层后将整个建筑物变成隔震建筑,是目前提高房屋抗震性能最有效的方法。隔震技术能有效降低地震对建筑物的作用,在某种建筑物的设计过程中会碰到在风荷载或是地震作用下建筑物的楼层位移过大或是层间位移过大,从而不满足建筑物的使用要求,也不满足建筑物的适用性。为解决这个问题,可以在不满足位移要求的建筑物中加入阻尼器,加入阻尼器的减震建筑物能有效耗散地震能量,更重要的是能减少建筑物在地震作用下的位移响应,从而使其满足建筑物的使用要求和提高建筑物的适用性。了解建筑物的自振特性是对建筑物进行动力分析的重要前提,动力特性的分析也是校正所建模型正确与否的重要依据。

摩擦摆最早是由Zayas提出的一种隔震系统[1],通过两个曲面的摩擦滑动来实现支座的正常功能,利用钟摆机理延长结构的自振周期,同时通过摆动过程中的摩擦耗能以及势能做功,减少地震力的作用。摩擦摆支座是一种性能更加优良的隔震装置[2],具有承载能力高、位移能力大、耐久性强、可自动复位等优点,并可以通过改变滑道半径调整隔震周期[3,4]。

本文将在SAP2000有限元软件中建立抗震结构、隔震结构和减震结构有限元分析模型,对这三个分析模型的自振周期和振型特性进行对比研究。

1 工程概况

某框架结构为纵向六跨,跨度均为7.5 m,横向四跨,跨度均为5.9 m,首层高5.9 m,其余层层高均为4.5 m,总高为23.9 m的5层建筑物,楼盖为井字梁楼板,1~3层柱截面均为700 mm×800 mm,4、5层柱截面均为700 mm×700 mm。该建筑物建筑结构的安全等级为二级,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20 g,乙类建筑,基本风压为0.55 kN/m2,采用桩基础。该工程采用了摩擦摆支座与液压阻尼器。

2 计算模型及分析方法

本文采用有限元程序SAP2000建立有限元模型进行空间地震反应分析,模型中梁柱均采用空间梁单元模拟。地基及基础对结构的作用根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗震规范》)的规定简化成平动及转动弹簧施加于承台底,即是不考虑桩土效应、基底固结。

2.1 地震波选取

结构的地震响应同时取决于结构本身的动力特性以及输入地震波的特性,因此选择合理的地震波是进行动力时程分析的基础。我国《抗震规范》规定,应分别选择两条与设计反应谱相容的地震波,并通过设计反应谱拟合一条人工波,对隔震建筑物进行非线性时程分析。本文选取了以该框架结构的设计反应谱相容的EI Centro波和阪神波,并根据规范要求拟合了以设计反应谱相近的人工波。

2.2 抗震建筑物计算模型

根据工程概况以及选取的地震波,在SAP2000有限元软件中建立抗震结构的计算模型,模型中梁柱均采用空间梁单元模拟。地基及基础对结构的作用根据《抗震规范》的规定简化成平动及转动弹簧施加于承台底,即不考虑桩土效应、基底固结。地震波按抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,乙类建筑,基本风压为0.55 kN/m2进行设置。

2.3 隔震建筑物计算模型

在抗震建筑物计算模型的基础上,将在基础以主体结构之间设置一层隔震层,隔震层使用的隔震支座为摩擦摆支座。SAP2000软件中有专门的摩擦摆隔震单元,可选用LINK单元中的Friction Isoltion单元来模拟摩擦摆支座,摩擦摆支座的初始刚度、等效线性刚度、摩擦因数等参数可按照所选用的摩擦摆尺寸进行计算输入。摩擦摆隔震支座竖向设计承载力为3 000 kN,摩擦摆支座的摩擦摆支座曲面半径取为1.0 m,摩擦系数取为0.03。计算模型的正立面图和侧立面图如图1所示。

2.4 减震建筑物计算模型

在抗震建筑物计算模型的基础上,将在建筑物的正立面和侧立面按照一定的规律布置阻尼器。SAP2000有限元软件中有专门的阻尼器连接单元,可选用LINK单元中的Damper单元来模拟阻尼器,本工程中采用的是粘滞阻尼器,工程中阻尼器的类型为ZNQ1最大阻尼力为800 kN,最大行程为70 mm。计算模型的正立面图和侧立面图如图2所示。

3 动力特性研究

将上述建好的三个SAP2000有限元分析模型进行模态分析,重点分析计算模型的自振周期和振型特性。

3.1 结构自振周期

了解建筑物的自振特性是对建筑物进行动力分析的重要前提,对抗震建筑物、隔震建筑物和减震建筑物进行模态分析,三种计算模型的前十阶自振周期如表1所示。

从表1可知,从前三阶建筑物的自振周期来看隔震建筑物的自振周期最长,其次是减震建筑物,最短的是抗震建筑物,也就是说,抗震建筑物的刚度最大,其次是减震建筑物,隔震建筑物的刚度最小,换句话说,隔震建筑物是最柔性的建筑物。

s

抗震建筑物与建筑物的自振周期相比,在建筑物中加入了隔震层后,使建筑物的自振周期变大,变大的幅度接近一半;抗震建筑物与建筑物的自振周期相比,在前三阶自振周期中,抗震建筑物和隔震建筑物的自振周期非常接近,且减震建筑物的自振周期略大于抗震建筑物。从第四阶自振周期开始减震建筑物的自振周期的值比抗震建筑物的自振周期的值大很多;减震建筑物的自振周期随着阶数的增大,自振周期的值变化缓慢,从第一阶的0.550 1 s到第十阶的0.351 3 s。而且自振周期从第四阶到第十阶的自振周期值相近,变化不大;抗震建筑物和隔震建筑物的自振周期的值从第一阶到第十阶变化很大。

3.2 结构振型特性

了解建筑物的自振特性是对建筑物进行动力分析的重要前提,对抗震建筑物、隔震建筑物和减震建筑物进行模态分析,三种计算模型的前三阶振型特性如图3所示。

抗震建筑物、隔震建筑物和减震建筑物的前三阶振型特性一样,第一阶振型为横向的平动,第二阶振型为纵向的平动,第三阶振型为扭转。

抗震建筑物与隔震建筑物第四至第十阶振型特性的描述如表2所示。从表2可知,抗震建筑物与隔震建筑物从第四阶到第十阶的振型描述是一样的。

4 结论

1)抗震建筑物与建筑物的自振周期相比,在建筑物中加入了隔震层后,使建筑物的自振周期变大,变大的幅度接近一半。

2)抗震建筑物与建筑物的自振周期相比,在前三阶自振周期中,抗震建筑物和隔震建筑物的自振周期非常接近,且减震建筑物的自振周期略大于抗震建筑物。从第四阶自振周期开始减震建筑物的自振周期的值比抗震建筑物的自振周期的值大很多。

3)减震建筑物的自振周期随着阶数的增大,自振周期的值变化缓慢,从第一阶的0.550 1 s到第十阶的0.351 3s。而且自振周期从第四阶到第十阶的自振周期值相近,变化不大。抗震建筑物和隔震建筑物的自振周期的值从第一阶到第十阶变化很大。

4)抗震建筑物、隔震建筑物和减震建筑物的前三阶振型特性一样,第一阶振型为横向的平动,第二阶振型为纵向的平动,第三阶振型为扭转。

摘要：以某实际的框架建筑结构为工程背景,以该框架建筑结构为基础,分别设计成隔震建筑物和加阻尼器后的减震建筑物,对抗震建筑物、隔震建筑物以及加阻尼器后的减震建筑物进行动力特性研究。本文使用SAP2000有限元软件建立该实际工程的有限元分析模型,同时以建好的该实际工程的有限元模型为基础,分别建立加摩擦摆支座的隔震建筑物和在建筑物加阻尼器的减震建筑物的有限元分析模型,对三个模型的自振周期和振型图进行对比分析,研究自振周期和振型图的变化以及相应的规律。研究结果表明,从抗震结构到隔震结构自振周期变长,从减震结构到抗震结构自振周期变短,三个模型的振型图相近。

关键词：框架结构,隔震,减震,摩擦摆支座,阻尼器,自振周期,振型图

参考文献

[1][新西兰]R.I.Skinner W.H.Robinson G.H.Mc Verry.工程隔震概论[M].谢礼立,译.北京:地震出版社,1996.

[2]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京:中国铁道出版社,2012.

[3]马良,陈永祁.银泰中心主塔楼采用粘滞阻尼器的消能减振设计[A].第五届全国结构减震控制学术研讨会论文集[C].2005.

减隔震技术在桥梁抗震中的应用 篇7

关键词：结构控制技术,减隔震技术,工作原理,双曲面球形支座

1 概况

结构控制技术是工程抗震研究的热点问题。该技术通过在工程结构的特定部位装设某种装置(如耗能支承等)、或某种子结构(如调频质量TMD等)、或施加外力(外部能量输入),以改变或调整结构特性,确保结构及其附属物的安全。

作为目前应用较广泛的一种结构控制技术,减隔震技术利用特制的减震及隔震装置,大量消耗或阻止进入结构体系的能量,达到控制结构内力分布与大小的目的。

2 减隔震技术的原理

结构对地震的反应有两个基本规律:1)地震动的频率成分很复杂,但地震能量一般集中在一个频率范围内;2)结构的阻尼越大,结构的地震反应越小。

减隔震技术主要利用上述两个基本规律,它的工作原理是:1)一定的柔度(柔性支撑):用来延长结构周期,降低地震力;2)消能能力(阻尼、耗能装置);降低支撑面处的相对变形,以便使位移在设计允许的范围内;3)一定的刚度、屈服力;在正常使用荷载下(如风,制动力等)结构不发生屈服和有害振动。

3 桥梁减隔震技术

3.1 桥梁减隔震设计的适用条件

依据新发布的《公路桥梁抗震设计细则》可知,如果满足下面三个条件或其中一条就可尝试隔震技术进行桥梁的隔震设计。1)桥梁中有刚性墩,桥的基本振动周期比较短;2)桥梁的高度相差较大时;3)桥址区预期地面运动特性比较明确,主要能量集中在高频段时。存在以下情况之一时,不宜采用隔震设计:1)地震作用下,场地可能失效;2)下部结构刚度小,桥梁基本周期比较长;3)位于软弱场地,延长周期可能引起地基和桥梁共振;4)支座中可能出现负反力。

3.2 减隔震装置的布置与选取

减隔震装置的布置位置有两种:1)布置在桥墩顶部,起降低上部结构惯性力的作用;2)布置在桥墩底部,能较大幅度降低整个结构的动力响应。

不论减隔震装置如何布置,在进行减隔震设计时,应将重点放在提高耗散能力和分散地震力上,不能过分追求加长周期。应选用作用机制简单的减隔震装置,并在其力学性能明确的范围内使用。另外,减隔震装置不仅要能减震耗能,还应满足正常运营荷载的承载要求。

3.3 细部构件和构造的设计

1)与传统抗震构造措施的协作。a.抗震挡块与梁体之间应预留足够的间隙,确保在多遇地震作用下是隔震体系而不是抗震构造发挥作用,在罕遇地震作用下抗震构造方发挥其作用;b.抗震构造应采用具有缓冲吸能功能材料制成,其刚度不宜太大;c.在分析计算时予以充分的考虑。2)隔震桥梁构造措施。a.梁端与梁端、梁端与桥台之间应留有足够的间隙,以确保隔震桥梁以上部结构的运动能为主来耗散外部能量输入;b.对于简支梁隔震体系,宜采用必要的纵向连续加强构造措施;c.在梁的支座处,应设横向支挡措施,梁体与横向支挡措施之间,应保留足够的横向间隙,以确保在横桥向或斜桥向地震输入下隔震体系能够发挥作用;d.应加强装配式简支梁的横向联系,采取有效的防侧倾构造措施;e.在采用防落梁装置的同时,应保证梁端距桥台、桥墩边缘的最小纵向距离,以免产生落梁震害。

4 减隔震装置与系统

目前常用的几种减隔震装置有分层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座、高阻尼橡胶支座、钢阻尼器和油阻尼器。

常见的柔性支承装置是橡胶支座,它能满足桥梁在正常使用状态下温度等因素产生的位移要求。

提供耗能的阻尼装置主要有两种:一种是利用材料塑性变形耗能的滞回阻尼;另一种是利用摩擦方式的摩擦耗能。

5 减隔震桥梁设计实例

采用算例:厦漳跨海大桥北引桥第二联为5×50 m预应 力混凝土连续梁,上部结构为单箱单室箱形梁,桥墩为矩形空心墩,墩号从NBP5～NBP10,其中NBP7,NBP8墩为固定墩。各支座均采用普通钢支座,分固定支座和滑动支座两种。

本文根据厦漳跨海大桥北引桥工程原始设计图纸中结构的几何特性和材料特性,采用SAP2000非线性有限元软件建立厦漳跨海大桥北引桥的空间三维杆系模型。

5.1 地震波输入

根据目前抗震设计方法的发展水平和国内多座大跨度桥梁的抗震设计实践,建议采用两水平设防两阶段设计方法对厦漳跨海大桥引桥进行抗震设计。本文按厦漳跨海大桥场地地表地震动参数作为地震动输入(见表1)。时程反应分析采用一致激励输入。

本节画出了P1和P2两阶段中水平地震动加速度时程各一条,分别如图1,图2所示。地震波采用纵桥向+竖向输入和横桥向+竖向输入两种方式。动力计算时,对于大跨混凝土连续梁桥,结构的阻尼比取为5%。

5.2 双曲面球形支座减震效果分析及比较

当地震波采用纵桥向+竖向,横桥向+竖向输入时,计算结果发现引桥第二联固定墩的地震响应最大,对固定墩的最大地震响应进行比较,其中减震系数定义为减震结构与原设计(采用普通钢支座)地震响应的比值,具体比较见表2～表5。

5.3 结论

双曲面球形支座是通过摩擦来吸收地震能量,它可大幅度地降低结构的地震响应力,但主梁与墩顶的位移差较大,其滑动后的刚度对上部结构的位移影响很敏感,需对产品这一参数进行严格控制。

6 结语

本文在模型计算的基础上,系统总结归纳了隔震桥梁的设计方法与设计流程,概括了隔震桥梁的概念设计与细部构造设计应注意的问题。这些问题对隔震技术在梁式桥中的应用具有普遍的工程意义。着重分析了双曲球形支座对桥梁减震的效果,从分析的结果来看,双曲支座具有良好的减震效果。

参考文献

[1]叶爱君,胡世德,范立础.大跨桥梁抗震设计实用方法[J].土木工程学报,2001(8):2.

[2]刘治宇,王阔,苏杭.桥梁减隔震设计的粗浅认识[J].东北公路,2003(5):21-22.

[3]齐凯,越威.桥梁的减隔震方法[J].世界地震工程,1988(1):3-4.

[4]李建中,辛学中.连续梁桥减震、隔震体系非线性地震反应分析[J].地震工程与工程振动,1998,18(3):67-73.

[5]徐风云.公路桥梁减震支座[A].中国抗震防灾论文集[C].1986.