大跨度桥梁抗震设计技术现状及新进展_图文

1、 厂一强度设计 传统抗震设计叫 一延性设计 桥梁抗震设计 被动控制 减隔震设计 控制萎薹羹霎三 主动调质阻尼器（） 主动控制 主动联杆（ ） 主动可调控制 混合控制 图 桥梁抗震设计与结构控制关系图 也开始得到重视，它具有主动控制的自适应性，又不需要大的能量，具有响应频带较宽 的优良特性。作为智能阻尼装置之一的磁流变减振驱动装置，由于出力大、响应速 度快、阻尼力连续顺逆可控等一些特性，已在土木工程中得到研究应用，可以期望有广 阔的应用前景旧。在结构振动的智能阻尼控制设计中，首先要按主动控制算法进行最 优控制力计算。常用的最优控制设计方法包括等现代时域优化控制方法， 也有：。频域方法等。（：。）

2、控制系统设计的关键环节之一是求解黎 卡提方程，在结构力学与最优控制的相互模拟关系基础上发展的精细积分方法可以精 确高效地求解黎卡提方程，为控制系统设计提供了新的途径一。这种方法的基础是结 构力学与最优控制的模拟理论，其更容易为从事结构振动控制的研究者掌握和应用。 大跨度桥梁减隔震设计与结构控制研究现状 目前在桥梁工程中发展相对成熟、应用广泛的减隔震技术属于被动控制技术，它通 过采用减隔震措施（如安装橡胶支座、滑移支座隔震装置、阻尼器或其他一些减隔震措 施等）尽可能将结构与地震地面运动分离开，大大减小了传递到上部结构的地震和能 量。到目前为止，世界上已有数百座桥梁采用了不同形式的基础隔震和部分隔

3、震的方 法。值得一提的是希腊大桥，该桥建造在欧洲地震活动的频发地区， 地基上的地震最大加速度为 ，海峡两岸正以 年的速度发生着地壳的相对变 化。该桥位的水深为 ，基岩于水面以下 ，必须在砂和粘土层的冲积地基 上建设基础。选择了四塔五跨的连续斜拉桥结构，主桥跨径布置为 ，全漂浮体系，两端是简支。在 直径的圆形扩大基础下，有更大范围 的钢管桩群来加固地基，两者之间为砾石垫层，在有地震或位移时可以产生滑动和缓 冲，起了隔震的作用。如果主塔基础不滑动，那么桥上就会作用很大的地震力，使结构 】 难以抵抗，而现在的处理方法，能消解巨大的地震力，而且也不会发生成为问题的塑性 变形。 目前，在国内外大跨度桥梁

4、抗震设计中，采用较多和较成熟的技术是安装被动阻尼 器或柔性约束体系来减小地震作用下的反应。 相对于桥梁中广泛采用的减隔震技术被动调谐减震控制技术提出稍晚。结构被动 调谐减震控制体系是由结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有质 量、刚度和阻尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或 激振频率。这样当主结构受激励而振动时，子结构就会产生一个与结构振动方向相反 的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减并受到控制。调谐质量阻尼器 （ ）是被动调谐减震控制中非常重要的减震形式，目前已有许多学者 把应用于大跨度斜拉桥和悬索桥主塔的振动控制研究，结果表明：的效果对 地

5、震地面运动的频率的依赖性较大，当结构固有频率接近地面运动主频率时，能 够有效地控制结构的振动；但当结构固有频率远离地面运动主频率时，的效果将 大大降低。 由于被动控制的控制效果有限，以及控制精度较差一些的弱点，目前主动控制已成 为一个重要的研究方向。从理论上讲主动控制是最为有效的控制方法，主动控制是有 外加能源的控制，具有较高的控制有效性，同时也可以有针对性的将主动控制力施加于 结构的关键部位。尽管大跨度桥梁（斜拉桥）的主动控制在世纪年代就已经提 出，但其研究大大落后于对高耸结构的主动控制。目前，全桥模型主动控制地震动力 分析方法的研究还很少，已有的研究大多也局限于单自由度的简单模型或仅对桥梁

6、的 某一部分（如索、桥面板、桥墩等）单独进行控制研究。研究主要集中在主动调谐质量 阻尼器（ ）。系统是在的基础上增加了主动控制 系统而形成的，通过施加主动控制力，克服系统对地震运动频率特性敏感的缺点， 从而提高减震效果。 近些年来，随着智能材料（如电流变流体、磁流变流体、形状记忆合金等）的 出现，半主动控制已成为土木工程界关注的焦点。半主动控制系统综合了主动控制与 被动控制的优点，既具有被动控制系统的可靠性，又有具有主动控制系统的强适应性， 它不需要大功率的外部能源支持，少许的能量输入就可以得到与主动控制近似的控制 效果。其响应速度快、结构简单、阻尼力连续顺逆可调，即使地震时外部能源失效，仍可

7、 以充当被动阻尼器，起到被动控制的效果。目前半主动控制技术理论研究和装置开发 取得了大量的成果，并已经在结构振动控制方面得到了初步应用，不久的将来其必将广 泛应用于高层和大跨度桥梁结构的振动控制。 大跨度桥梁抗震设计的一些问题及研究方法 （）目前，大跨度桥梁抗震在设防目标和设防标准、地震动输入、概念设计和构造 措施、减隔震设计以及基于性能的抗震设计方法等方面都还值得进一步深入研究。 （）为了深入了解结构在地震作用下的反应规律及抗震措施的有效性，近些年来 人们一直致力于结构地震反应的试验研究。地震模拟振动台能够很好地再现地震发生 过程和进行人工地震波试验，是在实验室中研究结构地震反应、破坏机理的

8、有效工具和 最直接的方法，过去几十年中，地震模拟振动台在桥梁、海洋结构、核工程等抗震领域发 挥了巨大作用。目前实验室试验低成本性、可控制性和可重复性等优点已日益受到 人们的重视，特别是年洛马普里埃塔地震和年阪神地震中大量震害使地 震工程界对现有的设计思想、方法进一步反思，也使得实验室振动台建设及试验研究受 到普遍关注。目前对于多点输入问题的研究，主要局限于理论和数值方法的研究，应通 过桥梁模型的多方案实验，与理论及数值研究进行分析比较，从而使理论与方法建立在 更为坚实的基础上，推动这项研究向纵深发展。同时，大跨度桥梁的实际震害经验很 少，因此更应重视试验研究。目前，我国重庆交通科研设计院已建成

9、世界上唯一的一个 大型三轴向高性能地震模拟试验台阵系统，从而使得大跨度桥梁结构的地震模拟试验 研究成为可能。 （）大部分地震的强震持续时间只有二三十秒，而对于大跨度桥梁，其基本周期已 达十几至二十秒，实际上应该考虑地面激励的非平稳效应。目前，主要通过演变功率谱 模型来反映场地的振幅与频率的非平稳性，但对于模型的建立、参数统计、响应的处理 等还有大量工作需要进行。此外，相位谱与相位差谱的分布性质也是影响地震动非平 稳性的另一个重要因素，但对于相位谱与相位差谱本质规律的认识还有待于结合地球 物理学和波动学理论对地震动的震源机制、传播路径和频散性的进一步研究。 （）随着我国公路桥梁抗震设计规范适用范围的扩大，工程设计与新的理论、方法 的结合将更为密切，很多先进的分析方法是不可能用手工完成的。在微机已经十分普 及的今天，广大工程设计人员已经有条件，也应该更多地应用这些现代化工具去实现更 为先进可靠的设计理念了。而研究编写一整套有自主版权、适用于桥梁抗震设计的规 范化程序，则是有必要的。程序的可操作性与可靠性直接影响到工程师对先进技术的 使用。这方面的工作需要力学工作者与工程技术人员紧密配合方能完成。 参考资料 林家浩，张亚辉随机振动的虚拟激励法北京：科学出版社， 林家浩，张亚辉，赵岩大跨度结构抗震分析方法及近期进展力学