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

15、径 2m 的钢管桩群进行加固，钢管上面铺垫 3m 厚的砾石垫层。基础安放在砾石垫层的上面，在有地震或位移时可以产生滑动和缓冲，起隔震作用。图 8 桥塔与基础 图 9 墩柱及桥塔示意图 主梁在横向上采用由黏滞阻尼器和平行安装在阻尼器上面的保险限位器组成的减震保护装置，每个塔安装 4 个阻尼器与 1 个保险限位装置，在过渡墩上安装两个阻尼器和一个保险限位装置。在中等的地震作用与设计风荷载作用下，保险限位装置将会使结构不会发生大的位移，在大的地震到来时，保险限位器失效，黏滞阻尼器能够自由地耗散地震的能量。图 10 主塔减隔震装置 图 11 过渡墩减隔震装置 20 世纪，减隔震技术在中国桥梁工程中的应

16、用还很少，进入 21 世纪以后，桥梁防震减灾技术的研究与应用得到了很大的发展，其中最具有代表性的是黏滞阻尼器的应用，主要用于大跨度桥梁的减震与位移控制。此外，同济大学与船舶重工集团联合自主开发的大吨位全钢双曲面球形减隔震支座（具有自恢复能力的滑动隔震装置）也得到了相当数量的应用。但总体看来，中国桥梁的减隔震应用还较少。3.2 抗震技术在越南工程中的应用 目前在越南大部分已发生的地震都属于小中震。跟世界上很多地方相比在越南发生的地震强度不高且数量也很少，在历史上发生的大地震的频率也很小，如 1285 年在河内发生 8 级地震、1635 年在颜亭-荣禄-儒泉发生 8 级地震、1887 年在潘切发生

17、 7 级地震.。根据 2005 年越南的物理地球院的统计，越南从南到北一共有 30 个地区有可能会发生大地震。震级的程度在5.56.8Richter 之间。其中大部分地区集中在越南的北部，其余地区都属于小或很小的震动。东南大学交通学院 第 7 页 图 12 越南地震分布图 2014 上半年在越南一共发生了 27 场地震，强度在 2.54.7MMS（moment magnitude scale）之间，其中广南是发生的频率最多的区域有 11 场，其次是山萝有 9 场，奠边府 2 场，承天-顺化省、老街、义安、广义各一场。由于以上的背景所以以前抗震技术在越南没有被得到重视，经过这几年、特别是从日本大

18、地震发生过后抗震技术才开始得到重视。根据我自己所了解好像目前在越南一些带有抗震装置的实际工程都是近几年外国人建造的。3.3 减隔震桥梁的震害表现 在新西兰，Rangtike 河上的 Te Teko 桥经受过一次大的地震考验，这就是 1987 年 3 月发生的里氏 6.37 级，烈度为 9 度，震中在大桥以北 9km 处的 Edgecumbe 地震。在桥墩处加了 16 个铅芯橡胶支座，是为了降低上部结构产生的惯性力，从而减轻震害。地震中，桥台的挡块像预期的那样被推开，两岸第一跨桥墩顿脚处出现局部混凝土破坏，左岸桥台上的一个橡胶支座滑离原位，另一个橡胶支座也紧贴外限位圈，有局部轻微挤压破坏。在 1

19、992 年 4 月美国的加利福尼亚地震中，于 1987 年采用减隔震技术加固的 Eel River 桥表现很好，震后完全复位。地震中主跨发生的最大纵向位移约 20cm,横向位移约 10cm。Te Teko 桥及 Eel River 桥在地震中的良好表现，使人们对桥梁结构减隔震更有了信心，同时也获得有益的教训和经验。东南大学交通学院 第 8 页 4 桥梁减隔震设计 4.1 减隔震设计的一般原则 适宜进行减、隔震设计的情况主要有一下三种：（1）桥梁上部结构为连续形式，下部结构刚度比较大，整个桥的基本周期比较短。（2）桥梁下部结构高度变化不规则，刚度不均匀，引入减隔震装置可调节各桥墩刚度，因而可以避

20、免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况。（3）场地条件较好，预期地面运动具有较高的卓越频率，长周期范围所含能量较小等。对于以下四种状况，则不适宜采用减隔震设计：（1）基础土层不稳定，易发生液化的场地。（2）结构的固有周期比较长。（3）位于软弱场地，延长周期可能引起共振。（4）支座中出现负反力。此外，在桥梁的减隔震设计中还应注意：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；桥梁减隔震支座应具有足够的刚度和屈服强度，以避免在正常使用条件下出现因风荷载、制动力等引起的有害振动；相邻上部结构之间应设置足够的间隙，以适应梁体的位移；桥梁的其他抗震措施不得妨碍桥梁的正常使用及减隔震装置作用

21、的发挥；减隔震装置的结构应尽可能简单、性能可靠，且对环境温度变化不敏感，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；应考虑隔震装置的可替换性，并进行定期的维护和检查。4.2 减隔震装置的布置 桥梁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）设置在桥墩底部，起降低整个结构的动力反应。目前，减隔震装置大多数设置在桥墩顶部，这主要是由于普通桥梁也使用支座，采用桥墩顶部隔震，只需用隔震支座代替普通支座即可，因而比较经济可行。另外，通过调整不同桥墩处减隔震装置的水平刚度，就可以合理调节下部结构间的地震力分配，避开基础条件差的桥墩或能力较弱的桥墩，

22、使整个体系的受力更趋合理。在桥梁横桥向，也应尽可能通过设置减隔震装置协调下部结构间的横向刚度，从而改善扭转平衡，降低结构的横向反应。4.3 减隔震桥梁的地震反应分析 1）常用减隔震支座恢复力模型 一般情况下，弹塑性和摩擦类减隔震支座的恢复力模型可采用双线性模型代表。铅芯橡胶支座的恢复力模型如图 13 所示，其等效刚度和等效阻尼比分别为：dddddeffKDQDFK （1.2）effdyddeffDDQK)(22 （1.3）其中，yD为设计位移；y为屈服位移；dQ为特征强度；图 13 铅芯橡胶支座的恢复力模型 东南大学交通学院 第 9 页 uK 为初始弹性刚度；dK 为屈服刚度；effK 为等效

23、刚度。摩擦摆式支座的恢复力模型如图 14 所示。屈后刚度：RW （1.4）等效刚度：deffDWRWK （1.5）等效阻尼比：RdeffD2 （1.6）式中，W 为恒载作用下支座竖向反力；R 为滑动曲面的曲 图 14 摆式支座的恢复力模型 率半径；dD支座设计水平位移；为动摩擦系数。2）单自由度反应谱分析方法 由于非线性动力时程分析过程较为复杂，研究表明，对于符号一定条件的减隔震桥梁，采用单自由度反应谱分析方法进行地震反应分析也能获得较好的结果。具体条件为：（1）桥梁几何形状满足对规则桥梁的要求。（2）距离最近的滑动断层大于 15km。（3）场地类型为 I、II、III 类，且场地条件稳定。（

24、4）减隔震装置等效阻尼比不超过 30%。（5）隔震桥梁的基本周期 T1（隔震周期）为未采用隔震桥梁基本周期 T0的 2.5 倍以上。其基本计算流程与计算公式如下。（1）确定减隔震装置的目标位移 假定梁体在地震作用下发生纵桥向（或横向）目标位移dD，并根据下部结构的弹性刚度和相应的减隔震装置力学特性计算各墩位处的减隔震装置的目标位移i,dD。由于按单自由度反应谱分析的减隔震桥梁要求隔震周期为未采用隔震时基本周期的 2.5 倍以上，表明减隔震装置的等效刚度应不超过下部结构弹性刚度的 20%，即减隔震体系中的减隔震装置的变形应占主梁变形的 80%以上，因此也可以偏于保守地取减隔震装置的目标位移也为d

25、DDi,d。在此基础上，根据式（1.2)式（1.6）计算减隔震装置的等效刚度和等效阻尼。（2）计算减隔震桥梁的等效线性化刚度 ipieffipieffqkkkk,i,eK （1.7）式中，ieq,K为第 i 桥墩或桥台与其上部的减隔震装置等效刚度串联的刚度值；ieff,k为第 i桥墩或桥台上减隔震装置的等效刚度；i,pk为第 i 桥墩或桥台的剪切刚度。（3）计算隔震桥梁的等效阻尼比eq ipieffidieffipieffipieffidieffkkDkkkD,2,2,eq1)()(k （1.8）式中，id,D为第 i 个桥墩减隔震装置的水平设计位移；i,eff为第 i 个桥墩上减隔震装置的等

26、效阻尼比；i,effk为第 i 个桥墩或桥台上减隔震装置的等效刚度；i,p为第 i 个桥墩的阻尼比。（4）减隔震桥梁的等效周期)(Tesq 东南大学交通学院 第 10 页 ieqtqK,em2T （1.9）式中，mt为一联桥梁梁体总质量。（5）减隔震桥梁顺桥向、横桥向的水平地震力 thpSmE （1.10）梁体的纵桥向（或横桥向）位移反应：STeqd224D （1.11）式中，S 为相应于减隔震桥等效周期（纵桥向或横桥向），采用等效阻尼比修正的反应谱值。（6）比较梁体的位移反应与假设的目标位移，重复（）（）步，直至两者一致。4.4 减隔震体系的抗震验算 中国公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B

27、02-01-2008)要求对减隔震桥梁分别进行 E1 和 E2地震作用下的分析与验算，要求橡胶型减隔震支座在 E1 地震作用下产生的剪切应变应在 100%以下，在 E2 地震作用下产生的剪切应变应在 250%以下，并校核其稳定性；非橡胶型减隔震装置，应根据具体的产品性能指标进行验算。对于桥梁墩台与基础的验算，则要求按现行行业标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)和公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)进行强度验算。中国城市桥梁抗震设计规范仅要求进行 E2 地震作用下的分析与验算，并要求橡胶型隔震支座在 E2 地震作用下产生的剪切应变必须在 25

28、0%以下，并校核其稳定性；非橡胶型减隔震装置，应根据具体的产品性能指标进行验算。此外，对于桥梁墩台与基础的验算，则要求将减隔震装置传递的水平地震力除以 1.5 的折减系数后，按现行行业标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范(JTG D62-2004)和公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)进行，这主要是考虑这些结构构件的实际强度存在一定的超强性。4.5 其他构件和细部构造的设计 在减隔震设计中，要使减隔震装置充分发挥减震耗能的作用，必须使非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置。为了使大部分变形集中于减隔震装置，不仅要使减隔震装置的水平刚度远低于桥墩、桥台、基础的刚度，还要避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服。另外，通常选择将减隔震装置布置在刚度较大的桥墩、桥台处。而为了避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服，应将桥墩的强度设计得稍高于减隔震装置的设计变形所对应的抗力。此外，还应通过提供足够的强度避免在桥台、基础，以及其他连接装置中发生不希望的破坏。另一方面，震害调查表明，构造措施对减隔震桥梁的动力特性和抗震性能有重要影响。因此，在减隔震设计中，还应充分注意一些构造细节的设计，并对施工质量给予明确规定。此外，在设计中还需要考虑对减隔震装置定期维护和更换的要求。东南大学交通学院 第 11 页