桥梁抗震.pdf
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1、 东南大学(20142015)年第一学期 桥梁动力分析与抗震设计 桥梁抗震读书报告 成 绩:姓 名:高明天 学 号:145511 专 业:桥梁与隧道工程 授课教师:胡晓伦 日 期:2015 年 1 月 目录 目录 桥梁减隔震设计 1 减隔震技术的原理.错误!未定义书签。11 减隔震技术的工作机理.错误!未定义书签。12 减隔震技术与延性抗震设计的比较.错误!未定义书签。2 减隔震装置与系统.2 21 减隔震系统的组成.2 22 常用减隔震装置简介.2 3 减隔震技术的应用.5 31 减隔震系数在国外桥梁工程中的应用.5 32 抗震技术在越南工程中的应用.6 33 减隔震桥梁的震害表现.7 4
2、桥梁减隔震设计.8 41 减隔震设计的一般原则.8 42 减隔震装置的布置.8 43 减隔震桥梁的地震反应分析.8 44 减隔震体系的抗震验算.错误!未定义书签。0 45 其他构件和细部构造的设计.错误!未定义书签。0 东南大学交通学院 第 1 页 桥梁减隔震设计 减隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段。减震是利用特制减震构件或装置,使之在强震时率先进入塑性,产生大阻尼,大量消耗进入结构体系的能量;而隔震则是利用隔震体系,设法阻止地震能量进入主体结构。在实践中,常常把这两种体系合二为一。通过选择适当的减隔震装置与设计位置,可以达到控制结构内力分布与大小的目的。1 减隔震技术的原理 1.
3、1 减隔震系数的工作机理 结构抗震研究伊始,人们就发现结构对地震的反应有两个基本规律:(1)地震动的频率成分非常复杂,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。减隔震技术正是利用了结构地震反应的这两个基本规律。概括起来,减隔震技术的工作机理有三条:采用柔性支承延长结构周期,减小结构地震反应;采用阻尼器式能量耗散元件,限制结构位移;保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。1.2 减隔震技术与延性抗震设计的比较 从抗震原理上看,两者都是通过延长周期以避开地震能量集中的周期范围,并且增大阻尼以耗散能量来达到减小地震反应的目的。但在具体实施的方法上,却有很大的不
4、同。表现为以下两个方面:(1)延性抗震设计容许很大的地震能量从地面传递到结构的重要构件上,设置考虑的是如何为结构提供抵抗地震的能力;减隔震技术的基本目的就是要大大减小传递到结构重要构件上的地震能量,而将这一地震能量转移到减隔震装置上。(2)延性抗震设计要求选定结构构件的特定部位(如梁桥桥墩墩底)屈服,并形成塑性铰以降低刚度延长周期,同时利用塑性铰的滞回特性提供耗能能力(相当于增大阻尼)。因此,结构构件的损伤是不可避免的,震后的修复工作比较麻烦。而减隔震技术通过设置减隔震装置来延长周期,并增大阻尼以耗散能量。因此,可以避免结构构件的损伤,而减隔震装置发生损伤时,替换比较简单。减隔震装置的优点:(
5、1)通过合理设计减隔震系统,可改善地震力在下部结构各支座间的分布,以保护基础、墩台等,必要时还可以保护上部结构。(2)有些减隔震支座在正常使用条件下,由温度、收缩、徐变等变形引起的抗力很小。这为城市高架桥梁中超多跨连续梁桥的采用,即减少伸缩缝的设置提供了可能,可以使连续梁桥一联的长度增加,从而大大改善行车条件并降低维护费用。东南大学交通学院 第 2 页 2 减隔震装置与系统 2.1 减隔震系统的组成 一个完善的桥梁减隔震系统应包含柔性支承、阻尼装置和构造措施三部分。这三部分可以分开设置,也可以结合为一体。1)柔性支承装置 常见的柔性装置为橡胶支座。此外还有其他一些柔性装置,如滚轴、滑板、缆索悬
6、吊、柔性套管桩等。2)阻尼装置 提供耗能最有效的一种方式是滞回阻尼,即利用材料的塑性变形耗能。摩擦耗能是另一种方式,其缺点是没有自复位能力,摩擦系数不易控制,震后易存在较大的残余变形。3)构造措施 减隔震装置必须具有足够的柔性,以延长周期、减小地震反应,但在运营荷载下,又要保证结构不发生大变形和有害振动。如果使用特殊材料的弹性支承,则可满足上述要求。此外,还可采用其他一些可破坏约束装置,如挡块等,使它在一定水平力作用下发生破坏,以满足设计要求。而减隔震装置要发挥作用,支承以上结构必须要有较大的自由活动空间,如果温度伸缩缝不能满足这一要求,求需要采取特殊的构造措施。另一方面,采用减隔震技术的结构
7、在地震作用下往往会产生较大的位移。由于地震动的复杂性和不确定性,这一位移很难准确估计。因此,为了防止地震下发生落梁和碰撞震害,就要设置专门的防落梁措施。2.2 常用减隔震装置简介 1)分层橡胶支座(laminated-rubber bearings)构造如图 1 所示,形状多位圆形或矩形。图 1 分层橡胶支座的基本构造 大量实验表明:分层橡胶支座的滞回曲线呈狭长形,可以近似作线性处理。在抗震设计中,最关心的是橡胶支座的水平(剪切)刚度,即上、下板面产生单位位移时所需施加的水平剪力。分层橡胶支座的剪切刚度可按下式计算 zzxmzx 其中,zx是支座的水平刚度;z 为支座的高度;zx为水平位移。橡
8、胶支座变形过程中消耗能量,即提供阻尼,这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。一般分层橡胶支座的阻尼比为 5%10%。2)铅芯橡胶支座(lead-rubber bearings)铅芯橡胶支座是在分层橡胶支座中部插入铅芯而形成的隔震装置,如图 2 所示。东南大学交通学院 第 3 页 图 2 铅芯橡胶支座 铅芯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。图 3 铅芯橡胶支座的滞回曲线。铅芯橡胶支座
9、还有一个特点,就是温度,徐变等蠕变变形引起的支座抗力很低。这为铅芯橡胶支座在长跨连续梁桥中的应用提供了条件。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,可使桥梁上部结构变形不受限制。在地震作用下,滑动摩擦型支座因为容许上部结构在摩擦面上发生滑动,从而限制了上部结构传递到下部结构的地震力(最大为支座的最大摩擦力),同时通过摩擦消耗大量的地震能量。但是这类支座没有任何自复位能力,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,所以常与其他装置一起使
10、用。这类装置的主要优点是对地震激动的频域不敏感。4)高阻尼橡胶支座 高阻尼橡胶支座是采用特殊配置的橡胶材料制作,其形状及构造与天然橡胶支座相同。但该橡胶材料粘性大,其自身可以吸收能量。由于与耗能功能集成在一起,可以节省使用空间,施工上也比较方便。图 4 为这种橡胶支座的滞回曲线。滞回环的面积较大,表明有较大的耗能能力。从滞回曲线可见,高阻尼橡胶支座在变形较小时就表现为非线性,而且与反复次数、变形大小和位移历程有关。进行非线性地震反应分析时,恢复力模型可采用修正双线性模型。东南大学交通学院 第 4 页 图 4 高阻尼橡胶支座滞回曲线 5)刚阻尼器 刚阻尼器利用钢材的塑性变形来耗能。图 5 显示了
11、三种典型的刚阻尼器: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;锥形悬臂弯曲梁阻尼器;有横向加载臂的扭梁阻尼器。图 6 为三种阻尼器的工作原理。图 5 刚阻尼器装置 图 6 刚阻尼器工作机理 东南大学交通学院 第 5 页 刚阻尼器的优点是制造不需要特殊设备,费用比较适合,坚实耐用,又具有较大的耗能能力。此外,刚阻尼器通常和橡胶隔震一起使用,如聚四氟乙烯滑板支座与悬臂高阻尼器就是一种合理组合。6)流体黏滞阻尼器 流体黏滞阻尼器基本构造如图 7 所示。这类装置利用活塞前后压力差使液体(目前大多用硅油)流过阻尼孔产生阻尼力。图 7 黏滞阻尼器的构造 流体黏滞阻尼器(FVD)的阻尼力 F
12、与速度 v 之间的关系理论上可以标示为:vvCF)sgn()(1.1 式中,C 是通过试验确定的阻尼系数;是指数(其值一般在 0.21.0 范围内);sgn(.)是正负号函数。另外,黏滞阻尼器在蠕变变形作用下,产生的抗力接近于零。而且黏滞阻尼器容许结构在震后回复到原来的位置。但需要注意的是,黏滞阻尼器产生的阻尼力还和温度有关,并具有方向性。黏滞阻尼器要求制作加工精密,油压的调整、漏油、灰尘的进入等问题需要采取相应的措施,体积较大时制作较为困难。3 减隔震技术的应用 3.1 减隔震技术在国外桥梁工程中的应用 新西兰是世界上最早进行前面的减隔震技术研究并广泛应用于实际工程的国家。经过 30 多年的
13、努力,创造了大量的减隔震技术,并编制了专门的规范。第一座减隔震桥 Moto 桥建于 1973年。新西兰的大部分桥梁采用了铅芯橡胶支座。意大利也是世界上较早在桥梁中应用减隔震技术的国家。从 1974 年以来,现代减隔震技术渗透到了意大利的传统桥梁建造中,至今,意大利已建成数百座减隔震桥梁。只是相对而言,意大利的铅芯橡胶支座的应用比其他国家要少一些。美国第一次将减隔震技术用于桥梁是在 1984 年,用于对 Sierra Point 桥进行抗震加固。而在 1990 年,新建了第一座采用减隔震技术的桥梁Sexton 桥。该桥采用了铅芯橡胶支座减震方案,在桥台处布置 20 个铅芯橡胶支座,桥墩上布置 2
14、0 个无铅芯的橡胶支座。大部分隔震装置均为铅芯橡胶支承。日本第一座建成减隔震桥梁是静岗县横跨 Keta 河的宫川大桥,完成于 1990 年,这桥采用铅芯橡胶支承。大部分采用铅芯橡胶支承和高阻尼橡胶支承。希腊 Rion-Antirion 桥横跨科林斯湾,是连接摩里亚半岛与希腊大陆的重要通道,由于大桥所处产地的自然条件非常恶劣,地震、断层活动较为强烈,在设计中采用了一系列先进的减隔震设计理念和技术,是现代大跨度桥梁减隔震设计的典型代表。该桥的抗震设计包括两个部分:一是主塔基础部分的减隔震设计,二是主梁部分的减隔震设计。海床上部土层采用 150200东南大学交通学院 第 6 页 根长 2530m、直
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