20110808 桥梁减隔震技术及设计计算(参考)

2011年8月桥梁减隔震技术及设计计算中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司内容提要1.减隔震技术的基本概念与机理2.典型减隔震装置3.减隔震技术的应用4.常用桥型的减隔震方案5.TMT现有工作基础1.减隔震技术的基本概念与机理基本概念通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，从而大大减小传递到上部结构的地震力和能量，确保结构本身及其附属物的安全。--有别于硬“抗”。减隔震装置不同抗震技术的基本机理比较基本原理传统结构抗震设计隔震结构抗震设计结构控制降低刚度，延长周期利用塑性铰来实现刚度的降低利用隔震装置来延长周期可控制刚度增加阻尼利用塑性铰的非弹性变形利用阻尼装置可控制的阻尼1.减隔震技术的基本概念与机理机理延长周期--避开共振区，减小能量输入增加阻尼--耗散能量，减小相对变形简单说来：以位移变形换取小的地震作用；以适当的阻尼限制过大的位移。以往大量使用的板式支座、盆式支座等，起到传递上部结构的各种荷载，适应温度、收缩徐变等因素产生的位移，但是这些支座往往难以满足减隔震设计的要求。1.减隔震技术的基本概念与机理隔震可以延长结构自振周期并增大结构阻尼，但是需要在增大位移响应和减小剪力响应之间找到最佳的平衡点。剪力（或加速度）和位移反应谱4、时程分析1.减隔震技术的基本概念与机理传统结构水平刚度大频率比ω/ωn=0.8～1.5地震动放大系数Ra=2～3隔震结构水平刚度小（柔性支座）频率比ω/ωn=3～8地震动放大系数Ra=1/2～1/81.减隔震技术的基本概念与机理隔震设计的基本规律：隔震装置的水平刚度越小，则自振周期延长地越长，上部结构的加速度（或剪力）的减小效果越好；但会增加结构的位移响应；增加结构的阻尼，会减小上部结构的加速度（或剪力）响应，同时也会减小结构的位移增加趋势。在坚硬场地比在软弱场地上建造的结构的减震效果好；设计人员应在减小上部结构的加速度响应、增加位移之间找平衡。1.减隔震技术的基本概念与机理对桥梁减隔震装置所提出的要求满足正常使用荷载下刚度需求健全的传力机能阻尼耗能稳定的静力和动力特性长期性能，如蠕变和耐久性等要求施工安装和更换容易1.减隔震技术的基本概念与机理相关规范(国内)《公路桥梁抗震设计细则》2008《铁路工程抗震设计规范》2009《城市桥梁抗震设计规范》2009（征求意见稿）《橡胶支座》2007(GB20688，共四部分)《建筑抗震设计规范》2010《建筑工程抗震性态设计通则及条文说明》2004《建筑消能阻尼器》2007欧美日等于上世纪90年代已编制相关标准相关国际标准如ISO22762《ElastomericSeismic-protectionisolators》20051.减隔震技术的基本概念与机理2.典型的减隔震装置（铅芯、高阻尼）橡胶支座2.典型的减隔震装置铅芯橡胶支座实验滞回曲线铅芯橡胶支座2.典型的减隔震装置高阻尼橡胶支座2.典型的减隔震装置高阻尼橡胶支座实验滞回曲线高阻尼橡胶支座2.典型的减隔震装置摩擦摆支座产品静态模型图产品动态模型图2.典型的减隔震装置摩擦摆支座球面：双向隔震；柱面：单向隔震2.典型的减隔震装置摩擦摆支座4、时程分析2.典型的减隔震装置金属阻尼器/支座金属阻尼器实验滞回曲线2.典型的减隔震装置金属阻尼器－可单独或与其他支座配合使用2.典型的减隔震装置粘滞阻尼器－可单独或与其他支座配合使用粘滞流体阻尼器结构图2.典型的减隔震装置粘滞阻尼器粘滞阻尼器阻尼力曲线2.典型的减隔震装置智能阻尼器磁流变阻尼器构造2.典型的减隔震装置磁流变阻尼器磁流变阻尼器阻尼力随电压变化曲线-0.02-0.0100.010.02-1.5-1-0.500.511.5x106位移/m控制力/N0.0V2.0V5.0V10.0V-0.4-0.200.20.4-1.5-1-0.500.511.5x106速度/(m/s)控制力/N0.0V2.0V5.0V10.0V3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座石家庄新津桥（1998）3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座新疆布谷孜大桥(1999)3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座澳门西湾大桥（2004）3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥（2008）引桥采用铅芯橡胶支座3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥引桥（2008）3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－摩擦型支座佛山平胜大桥3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－摩擦摆支座苏通大桥横桥向用柱面，双向用球面3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－粘滞阻尼器苏通大桥（纵桥向限位阻尼器）3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－粘滞阻尼器阻尼器安装示意图3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－MR阻尼器岳阳洞庭湖大桥：MR阻尼器MR阻尼器3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用截至止2000年(范立础)新西兰(1973)有48座公路桥梁和1座铁路桥梁采用减隔震技术，其中40座采用了铅芯橡胶支座LRB；意大利(1974)有150多座桥梁采用减隔振技术；美国(1979)有100多座，其中90多座采用LRB；日本(1990)有30多座，其中一半采用LRB除意大利外，桥梁减隔震设计最常用的是橡胶支座通常安装在桥梁上部结构和桥墩（桥台）之间；大部分建成于高烈度区I,II,III类场地3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例中、美、日隔震房屋应用比较中国：已建近600幢，最高19层日本：已建近4200幢，最高50层美国：已建近100幢，最高29层中、日隔震桥梁应用比较中国：已建近25座日本：已建近1800座截至止2009年我国属落后我国属先进3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在地震中的表现新西兰TeTeko桥在1987年的里氏6.37级地震中经受住考验（0.4g）；美国EelRiverBridge在1992的加利福尼亚地震中（震中峰值加速度2g)表现很好，震后完全复位；地震中所有采用减隔震技术的建筑表现良好（美国和日本，衰减系数2-3）采用减隔震技术可以增强结构的安全性3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用日本城市高速公路桥－橡胶支座3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用日本城市高速公路桥－橡胶支座3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用日本多多罗斜拉桥（1999）塔梁之间设置大型橡胶支座3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用希腊里翁-安蒂里翁大桥（2004）3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用希腊里翁-安蒂里翁大桥（2004）主桥塔梁之间设置粘滞阻尼器3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用希腊里翁-安蒂里翁大桥（2004）引桥墩、梁用粘滞阻尼器GoldenGate–U.S.A.美国金门大桥3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例韩国Su-Joung3号桥24套速度锁定支座F=1200kNs=±75±100mmV=25008000kN3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例3.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在国外的应用日本明石海峡大桥每座桥塔安装TMD抗风装置，经受1995神户地震需要思考的问题起控制作用的荷载和条件－温度？(竖向)地震？风？组合？－场地条件：软土地基？确定是否有必要采用减隔震技术？分析模型和分析方法－全桥模型？SSI效应？－线性/非线性时程分析？反应谱？－地震波的选用减隔震技术方案的对比和优化－提供经济、有效和合理的解决方案4.常用桥型的减隔震方案不同方案的减隔震效果、费用及可靠性对比(铅芯)橡胶隔震支座：好较低很好高阻尼橡胶支座：好一般很好摩擦摆支座：好一般好钢阻尼支座：好较低好粘滞阻尼器：非常好很高一般减隔震效果费用可靠性4.常用桥型的减隔震方案4.常用桥型的减隔震方案常见的桥梁减隔震建议方案梁桥(300m)梁体和桥墩之间（设置减隔震措施）阻尼支座（或支座+阻尼器）拱桥（600m,刚度大，位移小，传统减隔震法不适合）TMD，TLD；相对变形较大的位置如：拉索、斜撑或桁架下弦杆设置耗能支撑。斜拉桥(200—800m)和悬索桥(800m)：主桥塔梁－恰当的塔梁约束方式竖向支撑+粘滞阻尼器；梁体和桥墩之间，在漂浮方向阻尼支座（或支座+阻尼器）针对风致振动和风雨激振的结构优化、减振设计未来减隔震技术的发展方向1、考虑突发强震、近场地震作用下的结构安全；2、采用轻质高强材料（高强混凝土、钢材）结构自重及尺寸减小；3、结构减震（振）控制：根据结构性能和响应智能调整控制合理，有效，安全，经济4.常用桥型的减隔震方案工程结构减震控制的特点及优越性1、安全可靠，有限减震减震控制结构的地震反应与传统抗震结构的比值为：隔震结构8%——50%(保持弹性)耗能结构60%——80%TMD，TLD被动控制结构60%——80%（半）主动控制结构10%——50%2、节省工程造价+5%——-20%3、适用范围广：新设计及已有结构加固改造桥梁、建筑结构、重要工程结构；也可用于重要仪器、设备、环境振动减震。4.常用桥型的减隔震方案TMT桥梁支座产品已大规模应用于大型项目盆式橡胶支座、球型钢支座、速度锁定支座、弹塑性钢阻尼减震支座、滑板橡胶支座、（铅芯）橡胶支座、剪力卡榫及其他桥梁相关产品优势产品：速度锁定器，钢阻尼器、粘滞阻尼器、橡胶隔震支座、摩擦摆式支座拥有产品的自主设计能力5.TMT现有工作基础具备桥梁结构减隔震方案计算分析能力具备桥梁结构减隔震方案计算分析能力5.TMT现有工作基础具备使用Midas/Civil,Sap2000和ANSYS等有限元软件运用非线性时程分析法对桥梁结构进行减隔震方案设计分析的能力，欢迎合作！Ptkucumu4、时程分析具备桥梁结构减隔震方案计算分析能力5.TMT现有工作基础4、时程分析桥梁抗震设防分类与设防标准具备桥梁结构减隔震方案计算分析能力5.TMT现有工作基础桥梁减隔震设计方法5.TMT现有工作基础力-位移测试曲线图（V=100mm/s）5.TMT现有工作基础首次使用FD的铁路桥梁（新建铁路南广线桂平郁江双线特大桥）分析案例单塔阻尼器布置情况示意图5.TMT现有工作基础郁江双线特大桥减隔震计算模型采用通用有限元分析软件ANSYS建立全桥模型。桁架梁单元与桥塔单元采用BEAM44梁单元模拟，拉索用LINK10杆单元模拟，二期恒载用MASS21点质量单元模拟，桥墩处支座用刚臂模拟，粘滞性阻尼器用COMBIN37弹簧阻尼单元模拟。分析案例5.TMT现有工作基础主梁跨中纵向位移最大值随阻尼器参数变化曲线塔梁相对位移随阻尼器参数变化曲线分析案例塔顶纵向位移随阻尼器参数变化曲线塔底弯矩随阻尼器参数变化曲线最后选定所有阻尼器均采用相同的阻尼参数：阻尼系数C：2000kN/(m/s)0.2速度系数α：0.2最大阻尼力：1400KN最大行程：50mm分析案例5.TMT现有工作基础太北跨北同蒲铁路特大桥双线专客高速铁路特大桥，桥梁为五跨连续梁拱桥结构，全长为572m。5.TMT现有工作基础分析案例抗震方案：各个活动墩安装6套8000KN的速度锁定装置。计算结果：弯矩和剪力值趋于均匀，最大值大大降低减震后桥梁最大弯矩和剪力未减震桥梁最大弯矩和剪力5.TMT现有工作基础分析案例5.TMT现有工作基础分析案例津蓟高速跨蓟运河桥六跨连续梁桥，跨度为40.5m+4×54m+40.5m。其中3号墩设固定支座，其余墩设活动支座抗震方案：