桥梁隔震减震与结构控制初步设计

1、隔震减震与结构控制初步第六章 桥梁减隔震设计第六章 桥梁减隔震设计6.1 结构抗震设计思想的演化与发展6.2 隔震的原理与方法6.3 减震的原理与方法6.4 结构主动控制初步6.1 结构抗震设计思想的演化与发展产生传递引起震源 地震波建筑物所在场地结构的地震反应6.1 结构抗震设计思想的演化与发展地震位移反应地震剪力小大小大地震内力6.1 结构抗震设计思想的演化与发展地震动作用下结构位移过大,实践上的困难 延性结构体系刚性结构体系 反应接近地面地震运动一般不发生结构强度破坏导致材料的浪费柔性结构体系 减少结构物的刚性避免结构与地面运 动发生类共振减轻地震力6.1 结构抗震设计思想的演化与发展“

2、延性结构体系” 基本要求实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标适当控制结构物的刚度与强度结构构件进入非弹性状态后仍具有较大的延性通过塑性变形消耗地震能量 “坏而不倒”6.1 结构抗震设计思想的演化与发展当地基本烈度地震建筑物可能进入非弹性破坏状态 装修与内部 设备破坏延性结构体系的结构 被动抵御地震作用作用导致巨大经济损失某些生命线工程损失更是难以估量延性结构体系的应用也有一定的局限性隔震、减震、制振技术6.1 结构抗震设计思想的演化与发展隔震：地震动结构隔离装置隔开减小结构振动主要方法基底隔震悬挂隔震6.1 结构抗震设计思想的演化与发展香港汇丰银行（悬挂隔震）南加州大学医院（隔震结

3、构）6.1 结构抗震设计思想的演化与发展减震：地震结构减轻结构振动耗能装置或附加子结构(如调频质量TMD）耗能主要方法耗能减震冲击减震吸振减震6.1 结构抗震设计思想的演化与发展主动控制（狭义的制震技术）自动控制系统施加控制力地震结构减小结构振动6.1 结构抗震设计思想的演化与发展研究、探索并部分应用于工程实践的时期。隔震技术实用阶段减震制振技术10 桥梁减隔震设计10.1 一般规定10.1.1 本章给出的是桥梁减隔震设计的原则。10.1.2 满足下列条件之一的桥梁，可采用减隔震设计：（1）桥墩为刚性墩，桥梁的基本振动周期比较短；（2）桥墩高度相差较大时；（3）桥址区的预期地面运动特性比较明确

4、，主要能量集中在高频段时。6.1 结构抗震设计思想的演化与发展10.1.3 存在以下情况之一时，不宜采用减隔震设计。（1）地震作用下，场地可能失效；（2）下部结构刚度小，桥梁的基本周期比较长；（3）位于软弱场地，延长周期可能引起地基和桥梁共振；（4）支座中可能出现负反力。6.1 结构抗震设计思想的演化与发展 6.2隔震原理与方法6.2.1 隔震原理隔震基底隔震悬挂隔震结构物地面以上部分隔震层隔开限制地震动向结构物的传递固结于地基中的基础 6.2隔震原理与方法6.2.1 隔震原理图6.1 隔震原理 6.2隔震原理与方法基底隔震结构设计应注意:(1).在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平

5、刚度应尽可 能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围(2).保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。 通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔 震装置联合构成基底隔震系统。6.2.1 隔震原理 6.2隔震原理与方法6.2.2 隔震分析模型隔震建筑系统动力分析模型单质点模型多质点模型空间分析模型 6.2隔震原理与方法6.2.2 隔震分析模型-单质点模型动力平衡方程: 结构的总质量； 隔震层的阻尼系数和水平刚度； 上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移； 地面加速度过程。上部结构侧移刚度远大于 隔震层的水平刚度上部结构近似为 一个刚体单质点模型 6.2隔震原理与方法6.

6、2.2 隔震分析模型多质点模型隔震层简化等效粘滞阻尼比计算式为： 水平刚度为k阻尼系数为c结构层隔震支座数量第i 个隔震支座的水平动刚度第 i个隔震支座的 等效粘滞阻尼比。水平动刚度计算式为:图6.2 6.2隔震原理与方法6.2.2 隔震分析模型隔震装置隔震层以上结构的水平地震作用有效降级采用水平向减震系数的概念反映这一特点层间剪力最大比值0.530.350.260.18水平向减震系数0.750.500.380.25层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系水平向减震系数不宜低于0.25，且隔震结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用10.2 减隔震装置10.2.1

7、常用的减隔震装置分为整体型和分离型两类。10.2.2 目前常用的整体型减隔震装置有： （1）铅芯橡胶支座 （2）高阻尼橡胶支座 （3）摩擦摆式减隔震支座；10.2.3 目前常用的分离型减隔震装置有：（1）橡胶支座+金属阻尼器（2）橡胶支座+摩擦阻尼器（3）橡胶支座+粘性材料阻尼器 6.2隔震原理与方法 6.2隔震原理与方法6.2.3 常用隔震装置橡胶支座隔震 6.2隔震原理与方法1. 橡胶支座隔震实例南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（抗震结构）1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7，直下型地震基础加速度0.49g顶层加速度0.21g 加速度折减系数为1.8底层加

8、速度 0.82g，顶层加速度2.31g, 加速度放大系数为2.8橡胶支座隔震系统的更优越 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震实例 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震橡胶支座钢板叠层橡胶支座铝芯橡胶支座石墨橡胶支座在天然橡胶中加入石墨大幅度提高橡胶支座的阻尼实际中应用还不多 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震钢板：限制橡胶片的横向变形使座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加橡胶片：总厚度越小所能承受的竖向荷载越大分层橡胶支座支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯提高支座大变形时的吸能能力集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用 6.2隔震原理与方法

9、橡胶支座隔震：水平刚度是竖向刚度的1%左右具有显著的非线性变形特征小变形，刚度大，抗风有利大变形，橡胶剪切刚度下降，结构频率降低，结构反应减少橡胶剪应变超过50%以后，刚度又逐渐有所回升，起到安全阀的作用，有利于防止建筑的过量位移 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震：设计的关键-合理确定隔震支座承受的应力我国建筑抗震设计规范规定：隔震层各橡胶隔震支座，考虑永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力设计值不应超下表的规定。建筑类别甲类建筑乙类建筑丙类建筑平均压应力（Mpa）101215 橡胶隔震支座平均压应力限值 注：1. 对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应； 2. 对需进行竖

10、向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向 地震作用效应；在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震：隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求： 罕遇地震作用下，第 i 个隔震支座考虑扭转的水平位移第 i个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座各橡胶层总厚度3.0倍二者的较小值罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移第 i个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时 支座计算位移的比值；当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭转影响系数不应小于1.1510.4.

11、2 减隔震装置应进行如下验算：（1）对于橡胶型减隔震装置，在E1地震作用下产生的剪切应变应小于100%，在E2地震作用下产生的剪切应变应小于250%，并验算其稳定性；（2）非橡胶型减隔震装置，应根据具体的产品指标进行验算；（3）应对减隔震装置在正常使用条件下的性能进行验算。10.4.3 减隔震装置的变形、阻尼等力学参数应进行试验测试。试验得到的力学参数值应在设计值的10%以内。 6.2隔震原理与方法橡胶支座隔震： 6.2隔震原理与方法2.常用隔震装置-其它隔震装置：滚珠隔震装置已用于墨西哥城内一座五层钢筋混凝土框架结构的学校建筑中，安放在房屋底层柱脚和地下室柱顶之间。为保证不在风载下产生过大的

12、水平位移，在地下室采用了交叉钢拉杆风稳定装置 6.2隔震原理与方法其它隔震装置：摇摆式隔震支座是一种摇摆隔震支座。在杯形基础内设一个上下两端有竖孔的双圆筒摇摆体。竖孔内穿预应力钢丝束并锚固在基础和上部盖板上，起到压紧摇摆体和提供复位力的作用。在摇摆体和基础壁之间填以沥青或散粒物，可为振动时提供阻尼。经试验证实：当地面加速度幅值达330cm/s2时，被隔震房屋的加速度反应被降低到无隔震反应的1/3左右。我国山西省的悬空寺，历史上经历多次大地震而仍完整无损。分析认为是其特有的支撑木柱起到了摇摆支座隔震的作用山西悬空寺 6.2隔震原理与方法其它隔震装置：不倒翁式隔震伊朗人设计的不倒翁式隔震房屋。该房

13、屋顶面半径显著大于底面半径，能起提供复位力的作用。 6.3减震原理与方法6.3.1 耗能减震原理地震结构减轻结构振动耗能构件耗能地震时，结构在任意时刻的能量方程为：地震过程中输入给结构的能量附加耗能构件的耗能结构主体自身的耗能能量观点： 一定 结构地震反应的降低 动力学观点：耗能装置的作用， 相当于结构的阻尼 ， 必使结构地震反应 6.3减震原理与方法6.3.1 耗能减震原理小震耗能装置较大的刚度结构减轻结构振动耗能应具有结构的使用性能保证强烈地震作用耗能装置结构减轻结构振动耗能非弹性状态应率先 进入大量消耗地震能量有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。 6.3减震原理与方

14、法6.3.1 耗能减震原理：耗能元件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：耗能减震结构的地震反应分析非线性时程反应分析方法 可以利用通常需要耗能元件的试验数据，以确立结构动力方程中的阻尼矩阵耗能减震结构的附加有效阻尼比所有耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能 6.3减震原理与方法6.3.2 耗能减震装置阻尼器耗能交叉支撑耗能墙 6.3减震原理与方法阻尼器与速度相关的粘弹型阻尼器以摩擦或金属屈服为特征的位移相关型阻尼器阻尼器支撑处框架与剪力墙的连接处梁柱连接处上部结构与基础连接处有相对变形或相对 位移的地方安装于6.3.2 耗能减震装置-阻尼器 6.

15、3减震原理与方法粘弹型阻尼器最大长度915mm，最小长度595mm，冲程320mm6.3.2 耗能减震装置 6.3减震原理与方法摩擦阻尼器33012.52512.51006.3.2 耗能减震装置-阻尼器 6.3减震原理与方法各种形状的软钢阻尼器（弹塑性阻尼器）6.3.2 耗能减震装置-阻尼器 6.3减震原理与方法6.3.2 耗能减震装置-耗能支撑 耗能交叉支撑 摩擦耗能支撑 耗能偏心支撑 耗能耦撑 屈服约束支撑 6.3减震原理与方法塑性耗能支撑耗能交叉支撑支撑交叉处通过钢框或钢环的塑性变形消耗地震能量 6.3减震原理与方法摩擦耗能支撑在支撑杆或节点板上开长圆孔 6.3减震原理与方法耗能偏心支撑

16、偏心支撑框架 6.3减震原理与方法耗能隅撑耦撑框架 6.3减震原理与方法屈曲约束支撑屈曲约束支撑的基本部件 屈曲约束支撑的轴力位移关系 6.3减震原理与方法屈曲约束支撑屈曲约束支撑的一些典型截面形状 6.3减震原理与方法周边耗能墙摩擦耗能墙6.3.2 耗能减震装置-耗能墙 6.3减震原理与方法6.3.3 吸振减震原理地震结构减轻结构振动附加子结构能量转移 6.3减震原理与方法运动平衡方程：-刚度-阻尼系数-主体结构质量-附加子结构质量、 阻尼系数、刚度6.3.3 吸振减震原理： 6.3减震原理与方法 考虑简谐地面运动输入考虑无阻尼体系的反应特征主结构振幅为零系统振动能量集中于子结构而主体结构得

17、到了保护数学推导 地震动含有多种频率分量结构系统也必然是有阻尼系统子结构的频率等于地面运动输入频率实际情况子结构频率接近或等于主结构频率时 主结构的地震反应总是可以得到一定程度的降低6.3.3 吸振减震原理 6.3减震原理与方法按照随机振动原理的分析结果R是主结构的振动控制频率参数当R1时，表示具有减震效果大量理论分析结果表明：主结构的阻尼比越小，吸振装置的减震作用越大质量比增加，减震作用增大6.3.3 吸振减震原理： 6.3减震原理与方法6.3.4 吸减震装置调频质量阻尼器（TMD）通过弹簧连接于主体结构，可安装在高耸结构或高层建筑的顶部调频质量阻尼器是包括质量系和弹簧、阻尼系的小型振动系统 6.3减震原理与方法调谐液体阻尼器（TLD）将装水的容器置于结构物上，结构振动时，水的振荡也能形成一个调频质量阻尼器设计TLD时，应尽量使水的振荡周期接近结构的固有周期。水的振荡频率公式为：水面波的波长水深重力加速度6.3.4 吸减震装置 6.4结构主动控制外部能源施加控制力地震结构减小结构振动结构的动力特性改变借鉴现代控制思想6.4.1 基本概念 6.4结构主动控制主动控制体系组成传感器 处理器（一般为计算器） 作动器(一般为加力装置)测量结构所受外部激励 及结构相应传送计算所需的控制力传送有外部能源提供所需的 控制力 6.4结构主动控制控制体系分类开环控制闭环控