（工程力学专业论文）武汉天兴洲公铁两用长江大桥动力特性分析及抗震设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桥梁通常是交通运输的枢纽工程，对国民经济有着重大影响。近年来，全 球地震频繁发生，严重地危害着人民的生命和财产的安全。在地震作用下，作 为生命线工程之一的桥梁结构的破坏，将加重次生灾害的程度，导致更为严重 的生命财产及经济损失。我国是一个多地震的国家，自唐山地震以来，抗震防 灾工作正日益受到重视。 结构振动控制技术在工程中的应用得到迅猛发展，目前已成为一个十分活 跃的研究领域。近些年的理论和实践研究证明：结构振动控制可以有效减轻结 构在风或地震作用下所引起的反应和损伤，有效提高结构的抗震抗风能力和防 灾的性能。为此，研究掌握桥梁的地震反应是建立合理抗震体系，采取有效抗 震措施的科学根据。 本文在国内外有关研究成果的基础上，以武汉天兴洲长江大桥为工程依托， 对大跨度斜拉桥地震反应及抗震设计进行了以下几方面的研究： 1 利用有限元分析软件a n s y s ，通过适当简化建立斜拉桥的结构模型， 作为进行动力分析的基础，计算斜拉桥的自振特性。在斜拉桥的静力分析过程 中考虑了几何非线性因素，并对斜拉桥的合理成桥状态的确定进行了探讨。 2 分析大跨度斜拉桥在一致激励下的地震反应，探讨竖向输入加纵向输入 对结构地震反应的影响，并考虑地震行波作用下斜拉桥的响应。 3 根据武汉天兴洲大桥的实际情况，研究了两种大桥减震方案：即在主塔 下设置纵向阻尼器以及同时在主塔和辅助墩处设置纵向阻尼器。两种方案下各 分不同工况进行桥梁效能减震研究，通过对比研究提出更适合大桥的减震方案。 4 对粘滞阻尼器的主要设计参数进行了探讨，分析了阻尼系数、速度指数对 桥梁结构的地震响应影响，阻尼器最大输出力以及减震效果的影响，为大跨度 斜拉桥的减震设计提供了相应的建议。 关键词：斜拉桥时程分析粘滞阻尼器消能减震 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r i d g ei st h eh i n g eo ft r a n s p o r t a t i o n , w h i c hh a si m p o r t a n ti n f l u e n c ef o rt h e c o u n t r ye c o n o m y i nr e c e n ty e a r s ，e a r t h q u a k ed i s a s t e rf r e q u e n t l yo c c u r r e di nw h o l e w o r l dw h i c hb r o u g h tg r e a td a m a g et ot h es a f e t yo fl i f ea n dp r o p e r t yf o rp e o p l e i ft h e b r i d g e sw h i c hl o o k e da sv e r yi m p o r t a n ts t r u c t u r e sb yp e o p l ef o rc o n n e c t i n g 、析m p e o p l e sl i f ec o l l a p s e dc a u s e db ye a r t h q u a k e ，t h ei n d i r e c td i s a s t e rw i l lt a k eu pt o b r i n gm o r e l o s so fl i f ea n dp r o p e r t y o u rc o u n t r yi sal a n dw h i c he a r t h q u a k ei sa c t i v e ， t h ej o bo fp r e v e n tt h ed i s a s t e ri sm o r ei m p o r t a n t t h ea s e i s m a t i ct e c h n i q u ed e v e l o p e df a s t l yi nt h ea r e ao fp r o j e c ta p p l i c a t i o n n o wi ti sav e r ya c t i v er e s e a r c ha r e a t h e o r ya n dp r a c t i c eh a v ep r o v e dt h a t ： a s e i s m a t i cc o n t r o lc a nr e d u c es t r u c t u r a l r e s p o n s e , w h i c hc a ni m p r o v es t r u c t u r a l a s e i s m a t i ca b i l i t y t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d ya n dm a s t e rt h es e i s m i cr e s p o n s e o fb r i d g ef o re s t a b l i s h i n gr e a s o n a b l es e i s m i cd e s i g ns y s t e ma n da d o p t i n ge f f e c t i v e s e i s m i cm e a s u r e i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so ft h es t u d ya c h i e v e m e n t sa th o m ea n da b r o a d , o nt h e b a s i so fw u h a nt i a n x i n g z h o ub r i d g e ，l o n g s p a nc a b l e s t a y e db r i d g e e a r t h q u a k er e s p o n s e sa r es t u d i e da sf o l l o w s ： 1 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es t r u c t u r ei sf o r m e dt h r o u g hr e a s o n a b l e s i m p l i f i c a t i o n a n ds t r u c t u r a ld y n a m i cp r o p e r t i e sa r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h ef a m o u s p r o g r a mo fa n s y s s t r u c t u r a ld y n a m i cp r o p e r t i e sc o n s i d e r i n gs u p p o r tr i g i d i t y , a r c h r i br i g i d i t ya sw e l la ss o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni sp e r f o r m e d t h ef a c t o r so fg e o m e t r y n o n l i n e a ra r ec o n s i d e r e di nt h ea n a l y s i s t h er e a s o n a b l ei n i t i a ls h a p eo f c a b l e s t a y e d b r i d g ei ss t u d i e d 2 t h er e a c t i o no fl o n g s p a nc a b l e - s t a y e db r i d g eu n d e rt h eu n i f o r me x c i t a t i o no f 武汉理工大学硕士学位论文 e a r t h q u a k ei sa n a l y s e d s t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s e sa r er e s e a r c h e di nt h ec o n d i t i o no f t h ew a v ef r o mv e r t i c a la n dl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n t h eb r i d g e sr e s p o n s e su n d e r t r a v a i l i n g w a v ee f f e c to fe a r t h q u a k ea r es t u d i e d 3 a c c o r d i n gt ot h ef a c to ft h et i a n x i n g z h o ub r i d g eo fw u h a n ，t w o a s e i s m a t i cp r o j e c t sa r es t u d i e d ：s e t t i n gl o n g i t u d i n a ld a m p e ru n d e rt h et o w e ro f b r i d g e a n ds e t t i n gl o n g i t u d i n a ld a m p e ru n d e rt h et o w e ra n dt h ea s s i s t a n tf r u s t a d i f f e r e n t c o n d i t i o n sa r ec o n s i d e r e df o ra s e i s m a t i cr e s e a r c ho ft h eb r i d g ei nt h i st w oa s e i s m a t i c p r o j e c t s ，a d v a n c i n gm o l ea p p r o p r i a t ea s e i s m a t i cp r o j e c t 4 t h ep a r a m e t e r so fv i s c o u sd a m p e ra r es t u d i e d t h ee f f e c to fd a m p i n g c o e f f i c i e n ta n dv e l o c i t ye x p o n e n t , t h em a x i m u mf o r c eo ft h ed e v i c e ，a s e i s m a t i ce f f e c t o fv i s c o u sd a m p e r 淝s t u d i e d , w h i c ha f f o r d sa c a d e m i cf o u n d a t i o nf o ra s e i s m a t i e d e s i g no ft h el 0 n g s p a nc a b l e - s t a y e db r i d g e k e y w o r d s ：c a b l e - s t a y e db r i d g e ，t i m e - h i s t o r ya n a l y s i s ，v i s c o u sd a m p e r , a a m p e d e n e r g y - d i s s i p a t e de a r t h q u a k e - r e d u c t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ： 关于论文使用授权的说明 日 朗卯j 、，尹 日期：竺d ! 粤。竺 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) 趣日期：趟：型户 武汉理f 一人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 桥梁抗震分析的意义 地震，历来是严重危害人类的一大自然灾害。尤其是最近2 0 余年，全球发 生了许多次大地震，它所造成的直接灾害有：建筑物与构筑物的破坏。如房屋 倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等等。地面破坏。如地面裂缝、塌陷， 喷水冒砂等。山体等自然物的破坏。如山崩、滑坡等。海啸、海底地震引起的 巨大海浪冲上海岸，造成沿海地区的破坏。此外，地震的直接灾害发生后，会 引发出次生灾害：火灾，出房屋倒塌、煤气泄漏和明火引起；水灾，由水坝决 口或山崩壅塞河道等引起：毒气泄漏，由建筑物或装置破坏等引起；瘟疫，由 震后生存环境的严重破坏所引起。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失，此直 接灾害还大。 19 7 1 年美国s a nf e m a n d o 地震，1 9 7 6 年中国唐山大地震，1 9 8 9 年美国l o m a p r i e t a 地震，1 9 9 4 年美国n o r t h r i d g e 地震以及1 9 9 5 年日本阪神大地震导致的城 市经济总损失( 以当时的币值为准汾别为：1 0 亿美元，1 0 0 亿人民币，7 0 亿美元， 2 0 0 亿美元，1 0 0 0 亿美元。 图1 i 加洲e 岭地震蹦12 日本神户地震 武汉理工大学硕士学位论文 图13 加洲北岭地震图14 日本神户地震 这几次地震灾害的共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区 交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，导致了巨大的经济 损失。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖越 来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损 失也将会越柬越巨大。几次大地震一再显示了桥粱工程破坏的严重后果，也一 再显示了桥梁工程抗震分析研究的重要性。我国是一个多地震的国家，自唐山 地震以柬，抗震防灾工作正f 1 益受到重视。 随着我国经济实力的增强和交通发展的需要，继上海南浦大桥、杨浦大桥、 徐浦大桥、广东虎门大桥、江阴长江大桥、南京二桥、青州闽江大桥等大跨越 江工程之后，又开始兴建润江长江大桥、苏通长江大桥以及其他跨海土程，如 长江口、渤海湾口土程，在这些特大型工程纷纷上马的同时，地震灾害近几年 也在我国东北、西南和西北部频频发生，尽管到目前为止，大跨度桥梁田地震 毁坏并不多见，但是鉴于它们在经济和交通等各方而占据的特殊重要的地位， 以及2 0 世纪出现的几次惨重的地震灾害的教训，对这些重大土程，必须进行合 理的抗震设防。我国颁布的中华人民共和国防震减灾法明确规定“新建、扩 建、改建建设土程，必须达到抗震设防要求。重大建设工程和可能发生严重次 生灾害的建设土程，必须进行地震安全性评价。根据地震安全性评价的结果， 确定抗震设防要求进行抗震设防。 1 2 结构地震反应分析方法 结构地震响应分析方法可以分为确定性方法和非确定性( 或概率性) 方法两 大类。确定性方法是以确定性的荷载作用于结构，求解该确定性荷载作用下结 武汉理工大学硕士学位论文 构动力反应的方法。结构地震反应分析法大致可以分为：静力法、反应谱方法、 动力时程分析法、随机振动法。 1 2 1 静力法 静力法是结构抗震分析中最早采用的方法。日本学者房森大吉早在1 8 9 9 年 就提出了静力法的概念：假定结构物完全刚性，其运动特点与地面震运动相同。 因此结构物的惯性力为【1 9 】 2 9 1 ： f = m x a s r 。= w xa m g = k w ( 1 一1 ) 其中w 为结构物重量，k 为地震动峰值与重力加速度g 的比值。 静力法由于假定结构完全刚性，完全忽略了结构在地震作用下可能的共振 作用，有很大的局限性，只适用于刚度很大的结构。随着人们认识的逐步深入， 静力法逐渐被反应谱法代替。 1 2 2 反应谱法 2 0 世纪随着对地震现象认识的深入，人们认识到地震是一种随机现象，地 震波是一种非常复杂的波，当地震波的卓越频率与结构固有自振频率相一致时， 结构的动力反应被放大，即发生共振。 心问题，4 0 年代，美国科学家比奥特、 因此，如何确定地震动特性成了一个核 豪斯纳等在取得强地震记录后，提出了 反应谱理论，并给出了世界上第一个反应谱曲线：即单质点弹性体系在某一地震 波作用下，体系的周期与其最大反应之间的关系曲线。反应谱方法考虑了结构 动力特性与地震动特性之间的动力关系，又保持了原有静力理论形式。它将结 构所受最大地震力写为如下形式1 1 9 1 | 2 9 f = r p ( t ) w = k s 。( t ) w a ( 1 - 2 ) 其中& ( r ) 为加速度反应谱，a 为地震动最大加速度。 对于多质点体系，应用有限元法，可根据方程( 1 - 3 ) 利用振型分解法分解成 一系列相互独立的振动方程，从而将多质点体系的复杂振动分解成各个振型的 独立振动，这就可以采用单质点体系的反应谱理论来计算各振型的最大反应， 然后采用适当的方法( s r s s ，c q c ，i g q c 等) 相组合来求解地震力。 m g + c 嵇) + k b = 一m 仉) 枉g ( ，) j ( 1 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 尽管反应谱法仍然是一种基于弹性理论的等效的静力法，而且还存在很多 难点：如长周期部分的确定；基于塑性的反应谱的确定；基于考虑地震动空间变化 和多支承输入的处理等，但相比静力法反应谱方法考虑了地震波频谱特性与结 构动力特性的关系，可以说是结构抗震理论的一个巨大进步。 1 2 3 动力时程分析法 上世纪6 0 年代，随着电子计算技术的发展和强震记录及震害资料的积累， 开始采用实际地震记录口o ) 作为输入计算结构的地震响应。大中跨度桥梁等结构 物采用多节点、多自由度的有限元计算图式，以强地震动记录为激励作为输入， 计算结构的时程反应，这就是时程分析。国内常用的强震记录有1 9 7 5 年海城波， 1 9 7 6 年天津波，1 9 4 0 年美国e l c e n t r o 波，1 9 5 2 年美国t a f t 波等。由于，实际 强震记录毕竟比较少，对于重大建设工程，我国防震减灾法规定必须对场 址做特定的地震安全性评价，以评价的结果作为抗震设防的依据。 时程分析法不但突破了反应谱方法的局限，而还可以精确的考虑土一结构 相互作用：可利用地震波相位差或者不同的地震波多点输入作为激励，以较为真 实地、合理地模拟结构的地震响应；可以考虑结构的比较复杂的各种非线形因素 ( 包括几何、材料、边界接触条件等非线性问题1 1 6 1 ) ；可以比较详细地揭示结构每_ 时刻的位移、速度、加速度的响应过程，从而可以可以模拟结构从初始的弹性 逐步发展到塑性、甚至直到破坏的整个过程。 此外，该方法可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度、变形( 延 性) 的双重保证。这对人们认识结构的破坏机理，以期明确提高结构抗震能力的 途径有重要意义。对于重要结构，目前常采用的设计方法是，以反应谱法为第 一阶段初步抗震概念性设计，以时程分析法作为第二阶段的较细致的设计方法。 1 2 4 随机振动法 随机振动法的特点是假定地震动与结构的反应是随机现象，因而只能求得 其统计特征，或者具有出现概率意义上的最大反应。根据这一概念，该方法较 好地处理了反应谱分析法中振型组合问题，并使抗震设计从安全系数法过度到 概率论的分部系数法。该方法曾被认为是处理大跨度结构抗震分析的有力方法。 但是，由于长期以来，计算分析方法效率低下等原因，随机振动没有在工程中 4 武汉理工大学硕士学位论文 广泛采用。最近几年来，基于随机振动理论的虚拟激励法( 参见，林家浩等，1 9 9 4 ； 1 9 9 8 ；2 0 0 1 ) 突破了随机振动计算效率低的瓶颈，而且计算简便，在理论上属于精 确解法，正在被广泛应用。 1 3 桥梁抗震研究的现状 地震是一种无法全面模拟的自然灾害，其破坏作用目前还很难通过实验预 计，理论分析也难以全面奏效。因此，通过调查与了解桥梁的震害及其产生的 原因是建立正确的抗震设计方法，采取有效抗震措施的科学依据。近十几年来， 桥梁震害的特点及其产生的内因基本可以归结以下几类【2 】 3 1 1 3 2 】： ( 1 ) 支座破坏，地震中桥梁支座的震害极为普遍，它历来被认为是桥梁整 体抗震性能上的一个薄弱环节。破坏的主要形式为支座倾斜、锚固螺栓被拔出 剪断、活动支座脱落以及支座本身构造上的破坏。支座一旦破坏，主梁往往会 发生平面偏转、纵横向位移或落梁、梁端冲击等。 ( 2 ) 墩柱破坏，墩柱常见的破坏形式有钢筋混凝土墩柱的屈曲、开裂，混 凝土剥落、压溃、剪断、钢筋裸露等。造成墩柱破坏的原因有设计不当引起的 墩柱弯曲强度、剪切强度和延性不足，而更多的情况是实际地震荷载远超过设 计荷载所致。然而盲目提高设防烈度和设计地震荷载，增加墩柱抗震能力的被 动抗震方式是不可取的，其出路在于采用结构振动控制技术。 ( 3 ) 地基基础的破坏，主要表现形式有地基土液化、地基失效、基础不均 匀沉降和滑动。地基基础破坏会导致桥墩位移增大、倾斜，进而引起落梁等震 害。该种破坏很难用加强它们的抗震能力来避免的，一般应在选择桥址、桥型、 结构布置上加以注意。 ( 4 ) 梁体的破坏，从世界各地的震害来看，上部结构因地震惯性力直接破 坏的很少见，往往是其它部位的毁坏而导致上部结构的破坏。从桥梁的震害中 我们可以发现支座和桥墩在地震中易于破坏，它们的损坏甚至会引起整个桥梁 的倒塌，因此支座与下部结构的抗震设计至关重要，而其出路在于采用结构振 动控制技术。 利用粘滞阻尼器进行结构振动控制的研究始于八十年代末，美国和日本在 这方面的研究起步较早，技术也最先进。缸式粘滞阻尼器是目前各国最常用的 粘滞阻尼器类型，这种阻尼器由装有高粘滞油液的油缸和可以在其中运动的活 5 武汉理工大学硕士学位论文 塞组成。c o n s t a n t i n o u 等人1 9 9 2 年对装有粘滞流体阻尼器的一层和三层结构模 型进行了振动台试验，结果显示该种阻尼器对减小结构的地震反应取得到了较 好的效果【功 国内对粘滞阻尼器的研究起步较晚但是发展很快。欧进掣7 墩授在1 9 9 9 年 对油缸间隙式阻尼器进行了理论和实验研究。2 0 0 4 年，他利用复模量阻尼理论 研究粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器与斜撑串联的复合阻尼元件对结构减振效果的 参数影响并研究了耗能减振体系反应分析的简化计算方法1 2 3 1 。吴波、李惠等人研 究了装有粘滞阻尼器的结构的设计方法f 2 4 】。范峰、沈世钊将粘滞阻尼器应用于网 壳结构，结果表明粘滞阻尼器对网壳结构的减振效果十分明显，结构的抗震性 能有了很大的提高。东南大学在1 9 9 9 年6 月完成了两种类型一单出杆和双出杆 阻尼器的设计，并获得了国家专利。北京工业大学也对粘滞阻尼器进行了理论 与试验研究，研制出了不同构造、不同设计吨位的阻尼器，最大设计吨位达到 4 0 多吨。 现阶段的桥梁工程抗震设计，大多是使结构具有足够的强度、刚度和延性， 以达到抗震设防目标。但这种方法是一种以强制强、自相矛盾的方法：增加结构 的刚度，虽可提高结构的抗震能力，但同时也会增加结构对地震的响应，它不 能从根本上降低结构的地震反应，而且还付出了很大的经济代价。而对于斜拉 桥，其抗震薄弱部位为支撑连接装置、边墩、桥塔及其基础，因此这些部位是 抗震设计的重点。在斜拉桥的地震反应分析中，高阶振型的影响比较显著，因 此延性设计比较困难。而且桥面系内在的柔性也不允许利用塔柱的延性能力。 另一方面，在恒载作用下，斜拉桥边墩所受的压力较小，因此，在恒载和 地震共同作用下，斜拉桥的边墩可能受拉。这样，边墩的延性也就不可靠了。 所以，在斜拉桥抗震设计中利用减隔震装置可以有效的减小地震力，达到较好 的效果。 桥梁耗能减振技术是近年来刚刚发展起来的一个新的研究领域，它探讨如 何在桥梁结构上设置一些耗能装置来增加结构阻尼、吸收振动能量，以减少结 构在地震或风荷载等其它外界因素作用下的振动反应，从而有效地提高大跨径 桥梁的抗震、抗风稳定性，减小支座和伸缩缝的磨损，改善车辆运营条件，提 高桥梁使用寿命；尤其对抗震设防地区的桥梁可较大幅度地减小结构的振动反 应，从而减少伸缩缝规模和构件内力。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容和方法 本论文以武汉天兴洲公铁两用长江大桥为工程背景，运用大型有限元分析 软件a n s y s 对该桥分别进行地震响应分析以及进行抗震设计，主要做了以下工 作： ( 1 ) 建立全桥有限元仿真模型，针对大跨度斜拉桥表现出的强大的非线形行为， 探讨了根据斜拉桥成桥状态确定其斜拉索初始内力的方法； ( 2 ) 对全桥进行动力特性分析，分析其在一致地震激励下的反应以及在地震行 波作用下的响应分析； ( 3 ) 根据天兴洲大桥的特点，确定阻尼减震装置的布置方案，通过比较桥梁在 纵向和竖向地震波下减震前后该桥的地震反应，分析粘滞阻尼器对大跨度 斜拉桥的减震效果； ( 4 ) 根据武汉天兴洲大桥的实际情况，进行了两种大桥减震方案不同工况下的 桥梁效能减震效果研究，通过对比分析提出更适合本桥实际情况的减震研 究的方案； ( 5 ) 分析粘滞阻尼器的参数对减震效果的影响，为大跨度斜拉桥的减展设计提 供参考，并对大跨度斜拉桥结构阻尼消能减震设计提出设计建议。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章桥梁抗震研究概述 2 1 桥梁抗震控制研究状况 2 1 1 桥梁抗震控制特点 桥梁结构的抗震控制和其它土木工程结构的振动控制相比有许多不同之 处，其主要特点有以下几点1 3 l 】： ( 1 ) 桥梁结构庞大而笨重，地震时其惯性动能和变形能都很大，故抗震控 制时需要的控制能量很大。目前应用于建筑结构振动控制的各种控制装置和控 制方法并不一定完全适用，需采用具有较大耗能能力或较大控制力的抗震控制 装置：桥梁结构上下部分界明确，地震时落梁是比较严重的震害之一，故限制强 震作用时梁部位移不能太大也是抗震控制的主要目标之一。由于梁和桥墩之间 空间有限，而梁部的质量又很大，因此，选择合适的控制装置和采用合理的布 置方式也是抗震控制的主要研究问题。 ( 2 ) 地震荷载具有随机性和突发性，且地震波含有多种频率成分，又由于 桥梁结构的工作环境复杂，故要求抗震控制装置具有较强的耐久性、较高的灵 敏度、较宽的适用频率范围和适用温度范围。 ( 3 ) 由于桥梁结构在国民经济中所起的重要作用，其抗震控制系统必须具 有足够的稳定性和安全度，而且便于维护和管理。 2 1 2 桥梁隔震技术 隔震技术在桥梁工程中发展相对成熟，工程应用实例较多。与房屋建筑不 同，桥梁隔震支座通常安装在桥梁上部结构与桥墩或桥台之间。新西兰的第一 座隔震桥一m o t ob r i d g e 建于1 9 7 3 年：意大利于1 9 7 4 年将现代隔震技术运用到桥梁 上，目前，其隔震桥梁己达一百多座：美国第一次采用隔震系统是1 9 7 9 年，其后 在1 9 8 4 年首次将隔震技术应用到桥梁上一利用铅芯橡胶支座对s i e r r ap 0 缸连续 梁桥进行抗震加固：日本于1 9 9 0 年建成了第一座隔震桥梁一宫川大桥，该桥为三 跨连续钥格架梁桥，使用铅芯橡胶支承隔震。目前，新西兰、日本、美国、意 8 武汉理工大学硕士学位论文 大利等国已有数百座桥梁采用了隔震技术，并制定了相应的隔震设计规程【3 4 1 。从 各国桥梁隔震技术的应用情况来看，国外隔震桥梁中使用最多的是铅芯橡胶支 座和高阻尼橡胶支座。 我国于1 9 6 5 年开始对桥梁橡胶支座进行研究 4 0 1 。目前对桥梁隔震支座研究 较多的是铅芯橡胶支座，另外，还有一些学者致力于新型的隔震装置的开发与 研究。同济大学的范立础和袁万城教授发明了一种高阻尼叠层橡胶支座，通过 试验分析，其耗能能力是普通叠层橡胶支座的4 6 倍。目前我国己在几座桥梁 上使用减隔震支座。隔震技术对于高烈度区的中小跨度桥梁( 简支梁桥和连续梁 桥) 抗震、减震提供了一条简便可行的新途径。 2 1 3 桥梁消能减震技术 桥梁结构由于跨度大，温度变化、收缩徐变的影响也大，因此桥梁阻尼器对 这些因素引起的慢速变形需要保证梁体自由变形不产生附加内力，对地震产生 的梁的快速变形，阻尼器能迅速耗能，减小梁的加速度和位移。目前已经开发 出了多种耗能装置( 阻尼器) ，桥梁上常用的主要有软钢阻尼器、铅阻尼器和粘滞 阻尼器等。 目前已开发出多种不同形状和性能的软钢阻尼器，桥梁上常用的主要有扭 转梁阻尼器和悬臂梁阻尼器，其中，扭转梁阻尼器应用于新西兰s o u t hr a n g i t i k e i 铁路桥，该桥桥墩高7 0 m ，由六跨预应力混凝土箱型空心支架梁组成，总长3 1 5 m o 悬臂梁阻尼器也被应用于新西兰四座桥梁中，其中三座为旧桥加固。新西兰的 几座隔震桥梁中使用铅挤压阻尼器作为减震元件1 4 2 1 ，如新西兰的b o r o ns t r e e t 桥等。粘滞阻尼器在桥梁上最早的应用是1 9 6 2 年日本首都1 号高速公路1 1 5 区 的5 孔钢筋混凝土连续梁桥，该桥在桥台、桥墩与上部结构之间使用粘滞阻尼 器进行减震i 4 3 l 。美国著名的金门大桥的抗震加固也采用了粘滞阻尼器j 。 k o b u y a s h i 等曾于1 9 9 4 年将一个类似于粘滞阻尼器的油阻尼器应用于一个中跨 为4 1 0 m 的斜拉桥1 ：1 0 0 模型的试验研究中，结果表明，对于地震及风振效应其 控制效果明显。目前，在美国、日本等发达国家粘滞阻尼器在桥梁上已有着较 广泛的应用。如美国t a y l o r 公司生产的滞阻尼器已应用于2 0 余座桥梁中。目前， 我国仅有几座大跨桥梁采用粘滞阻尼器作为减振装置，如重庆长江鹅公岩大桥 采用粘滞阻尼器来减少钢梁在地震荷载、车辆荷载及风荷载作用下的纵向变形。 上海的沪浦大桥是一座大跨度钢拱桥，它在塔、墩及桥面伸缩缝处设置粘滞阻 9 武汉理工大学硕士学位论文 尼器，用以限制伸缩缝处的位移。本文所要讨论的正是这种阻尼器。 2 1 4 桥梁阻尼问题概述 阻尼是结构的动力特性之一，是描述结构在振动过程中能量耗散的术语，引 起结构能量耗散的因素很多，主要有：材料阻尼，这是能量耗散的主要原因； 周围介质对振动的阻尼；节点、支座连接处的阻尼：通过支座基础散失一部分 能量。 ( 1 ) 节点坐标和总体坐标系 在讨论阻尼问题前，首先需要了解在节点坐标系和总体坐标系中求解动力 学问题的不同。 在有限元分析中，需要求解每个节点的位移，通常使用节点坐标系，其动 力学的基本方程如下所示： 扩) - 阻戤) + 【c k ) + 医融 ( 2 1 ) a n s y s 中的完全法( f u l l ) 求解的就是上述动力学方程。模态、谐谱和 瞬态分析都可以使用这种方法求解，它可以包含各种非线性。阻尼通过阻尼矩 阵l c i 定义。 总体坐标系同样在有限元分析中使用，结构的响应被认为是一系列特征向 量的线性叠加( 模态叠加法) 。使用总体坐标系分析问题时，首先要进行模态分 析，以得到n 阶模态( 特征值向量) 。其结构响应k 假定为n 阶模态的线性组合， 通过求解模态系数y 得到： & = 轨h i f f i l ( 2 2 ) 使用模态叠加法的好处在于方程组非耦合，只需要求解n 个方程即可( 相 对于总体节点自由度数而言，比较少) ，这是比较有效率的求解。但由于它是模 态的线性叠加，因此使用这种方法进行模态、谐谱和瞬态分析时只能考虑线性 行为。阻尼通过临界阻尼比善( 无量纲系数) 来定义，它等于真实阻尼c 对临 界阻尼巳的比值5 4 1 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 动力学中的阻尼 a n s y s 中的完全法( n 几l ) 求解的就是上述节点坐标系的动力学方程。 模态、谐谱和瞬态分析都可以使用这种方法求解，它可以包含各种非线性。阻 尼通过阻尼矩阵i c l 定义嗍。 在a n s y s 里，在做f u l l ( 完全) 积分法的瞬态分析时，用阻尼比定义的阻 尼都被程序忽略掉了，那么怎么样才能正确的输入该桥的阻尼呢? r a y l e i g h 阻尼 根据振型分解法，结构的振动响应近似地用振型矩阵和广义坐标向量 g ( f ) ( = k 。( ，) 口：( f ) g 肼( f ) r ) 来表示： u o q ( 2 - 3 ) 当m = n 时，式( 2 3 ) 为精确解。把式( 2 3 ) 代入地震运动方程式，并在等 式两边同乘振型矩阵的转置矩阵，得到如下形式的方程： o r 脚虿+ 7 c a , q + a , 7 k f f j q = r m b i i g ( 2 - 4 ) 如果振型是对质量矩阵作规格化的向量，得到： 茸+ r c o q + 2 q = 7 m b i i g ( 2 5 ) 一般情况下阻尼矩阵c 不满足正交条件，因此式( 2 5 ) 为振型间耦合的运 动方程式，计算十分不便。 从方便计算起见，通常假定阻尼矩阵为质量和刚度矩阵的组合，即： c = a m + b k( 2 6 ) 式中：孔卜比例系数。 把式( 2 6 ) 代入( 2 5 ) ，并利用振型对质量和刚度正交的性质，得到互不耦 合的振型振动方程： 或+ 2 c o j 参玩+ c o ；q j = 屈西g o = l 2 ，历) ( 2 7 ) 式中：磊一振型的振型阻尼； 屈_ i 振型的振型参与系数。 武汉理工大学硕士学位论文 磊= 三( 詈砌，) ( 2 8 ) 屈= 怒 协9 ) 称式( 2 6 ) 为r a y l e i g h 阻尼。r a y l e i g h 阻尼中的系数a 和b 由两个特定固 有频率q ，q 和对应得振型阻尼比磊，白从式( 2 8 ) 计算得到： 口：丝警掣 吖一吖 ( 2 1 0 ) 扣三墼二挚! 国f 一缈； 因此，如果能够确定振型的阻尼比当，彭，则r a y l e i g h 阻尼中系数a 和b 可以算出1 2 s 。 m 叩i 遐h t i o 图2 1r a y l e i g h 阻尼 2 2 结构减震控制的概念与分类 2 2 1 结构减震控制的基本概念 结构减震控制就是通过在结构上安装耗能减震装置减轻或抑制结构由于外 荷载作用引起的反应，该技术最初应用于机械、宇航、船舶等工业领域。1 9 7 2 年，美籍华裔学者姚志平( y a oj t - p ) 首次将结构控制技术引入土木工程。随后， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 结构振动控制技术在工程中的应用得到迅猛发展，目前已成为一个十分活跃的 研究领域。近3 0 年的理论和实践研究证明：结构振动控制可以有效减轻结构在 风或地震作用下所引起的反应和损伤，有效提高结构的抗震抗风能力和防灾的 性能。 传统结构的抗震方法是通过增强结构本身的抗震性能( 强度、刚度、延性) 来抵御地震作用的，即由结构本身储存和耗散地震能量，这是被动消极的抗震 对策。由于地震的随机性，人们尚不能准确地估计未来地震灾害作用的强度和 特性，按照传统抗震方法设计的结构不具备自我调节功能。因此，结构很可能 在地震或风荷载作用下不满足安全性能要求，而产生严重破坏或倒塌，造成重 大的经济损失和人员伤亡。 合理有效的抗震途径是对结构安装抗震装置( 系统) ，由抗震装置与结构共 同承受地震作用，即共同储存和耗能地震能量，以调节和减轻结构的地震反应。 这是积极主动的抗震对策，也是目前抗震对策中的重大突破和发展方向i l 】。 2 2 2 结构减震控制的分类 结构减震控制根据是否需要外部能量输入可分为被动控制、主动控制、半 主动控制、智能控制和混合控制【2 j 。 ( 1 ) 被动控制( p a s s i v ec o n t r 0 1 ) 指在结构的某些部位附加耗能装置或子结构系统，或对结构自身的某些构 件作构造上的处理，以改变体系的动力特性。被动控制不需要外部能量输入提 供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息。而且因其具有构造简 单、造价低、易于维护及无需外部能源支持等诸多优点，所以引起工程界的广 泛关注，成为目前应用开发的热点，因而许多被动控制技术日趋成熟，并在实 际工程中得到应用。目前常用的被动控制系统有基础隔震、耗能减震和吸震等。 ( 2 ) 主动控制( a a c t i v ec o n t r 0 1 ) 指应用现代控制技术对输入的外部激励和结构反应实现联机实时监测，再 按分析计算结果应用伺服加力装置对结构施加控制力，实现自动调节，使结构 在地震和其他动力荷载作用下的响应控制在允许的范围内，以达到保护结构和 设备免遭损伤的目的。主动控制需要外部能量输入提供控制力，控制过程依赖 于结构反应和外界干扰信息。主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三 个主要部分组成其工作原理为：利用传感器检测结构的动力响应和外部激励， 武汉理工大学硕士学位论文 将监测的信息送入计算机内，计算机依据给定的算法计算应施加的控制力大小， 最后由外部能源驱动提供所需的控制力。 主动控制技术具有很广泛的应用范围，控制效果好，已进行了大量的理论 研究，并在结构工程的少数试点工程中应用。但因控制系统结构复杂，造价昂 贵，强烈地震作用需要巨大的外部能量输入，因此，在实际工程中得到应用还 有较大的困难。 ( 3 ) 半主动控制( s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 ) 以被动控制为基础，利用主动控制机构来主动调节系统内部的参数，以被 动控制系统的工作状态进行切换，使结构控制处于最优状态。半主动控制仅需 要少量外部能量输入提供控制力，控制过程依赖于结构反应和外界干扰信息的 控制方法。与主动控制相比，半主动控制既具有被动控制系统的可靠性，又具 有主动控制系统的强适应性，且通过一定的控制律可以达到主动控制系统的效 果，因此半主动控制具有很好的工程应用潜力。 ( 4 ) 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 结构振动的智能控制是国际振动控制研究的前沿领域。由智能材料制成的 智能可调阻尼器和只能材料驱动器构造简单、调节驱动容易、耗能小、反应迅 速、几乎无时滞，在结构主动控制、半主动控制和被动控制中具有广泛的应用 前景。智能控制的控制原理与主动控制基本相同，只是实施控制力的作动器是 智能材料制作的智能驱动器或智能阻尼器。适于土木工程智能控制的智能材料 有电流变液( e r ) 、磁流变液( m ) 、压电材料( p z ) 、形状记忆合金( s m a ) 和磁致伸缩材料等。 ( 5 ) 混合控制( h y b r i dc o n t r 0 1 ) 同时使用主动控制和被动控制对结构进行控制。这种控制系统充分利用了 被动控制和主动控制的优点，既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又 可利用主动控制系统保证控制效果，与单纯的主动控制相比节省大量的能量， 因此具有良好的工程应用价值。 2 3 耗能减震的概念、分类与原理 2 3 1 耗能减震的概念 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 地震发生时，地面运动引起结构的震动反应，结构通过能量转换( 一般转 化为动能或热能等形式) 来吸收或耗散大量的地震能量。传统的抗震结构体系 容许结构及承重构件( 柱、梁、节点等) 在地震中出现损坏，这一损坏过程就 是能量的消耗过程，而结构及构件的严重损坏或倒塌就是地震能量转换或消耗 的最终完成。 结构耗能减震技术是在结构的某些部位( 如支撑、节点、联结缝或连接件等) 设置耗能( 阻尼) 装置( 或元件) ，通过耗能( 阻尼) 装置产生摩檫、弯曲( 或 剪切、扭转) 弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主 体结构的地震反应。 2 3 2 耗能减震的分类 耗能减震装置可依据不同的材料、不同的耗能机理和不同的构造来制造。 目前研究开发的耗能减震器种类很多，依耗能减震器与位移和速度的相关性可 分为位移相关型耗能减震器、速度相关型耗能减震器和位移与速度相关型( 混 合型) 耗能减震器；依制造耗能减震器所用的材料可分为金属耗能器、粘弹性 阻尼器和粘滞阻尼器等；依耗能减震器的耗能机理可分为摩檫耗能器、弹塑性 耗能器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器和电( 磁) 感应耗能器：依受力的形式可 分为弯曲型耗能减震器、剪切型耗能减震器、扭转型耗能减震器和挤压型耗能 减震器。 2 3 3 耗能减震的原理 结构耗能减震的实质是在结构内设置耗能构件( 或耗能装置) ，它们能为结 构提供较大的耗能机制，地震时大量消耗输入结构的震动能量，有效衰减结构 的地震反应。 对于位移相关型摩檫耗能构件和金属耗能构件，主要是通过附加耗能构件 的滞回耗能来消耗地震输入能量，缓解结构地震作用。对于速度相关型材料的 粘弹性耗能和液体阻尼耗能，耗能构件作用于结构上的阻尼力总是与结构速度 方向相反，从而使结构在运动过程中消耗能量，达到耗能减震的目的。 耗能减震的原理可以从能量的角度来描述，结构在地震中任意时刻的能量 方程为1 1 】【4 】： 武汉理工大学硕士学位论文 传统抗震结构既= 巨+ e + 臣+ 毛 耗能减震结构e 加= e 。+ e 。+ e 七+ e + 日 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中e 、e 加地震过程中输入传统结构、耗能减震结构体系的能量； e 、e t 传统结构、耗能减震结构体系的动能； 丘、e 。传统结构、耗能减震体系的粘滞阻尼耗能； e 、e 。- 传统结构、耗能减震结构体系的弹性应变能； e 、e 一传统结构、耗能减震体系的滞回耗能； 历茕能减震结构中耗能( 阻尼) 装置或耗能元件耗散或吸收的能量。 在上述能量方程中，由于e 和e