桥梁隔震减震与结构控制初步设计

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

“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结构抗震震设计思思想的演演化与发发展主动控制制（狭义的的制震技技术）自动控制制系统施加控制制力地震结构减小结构构振动6.1结构抗震震设计思思想的演演化与发发展研究、探探索并部部分应用用于工程程实践的的时期。。隔震技术术实用阶段段减震制振技术术10桥梁减隔隔震设计计10.1一般规定定10.1.1本章给出出的是桥桥梁减隔隔震设计计的原则则。10.1.2满足下列列条件之之一的桥桥梁，可可采用减减隔震设设计：（1）桥墩为为刚性墩墩，桥梁梁的基本本振动周周期比较较短；（2）桥墩高高度相差差较大时时；（3）桥址区区的预期期地面运运动特性性比较明明确，主主要能量量集中在在高频段段时。6.1结构抗震震设计思思想的演演化与发发展10.1.3存在以下下情况之之一时，，不宜采采用减隔隔震设计计。（1）地震作作用下，，场地可可能失效效；（2）下部结结构刚度度小，桥桥梁的基基本周期期比较长长；（3）位于软软弱场地地，延长长周期可可能引起起地基和和桥梁共共振；（4）支座中中可能出出现负反反力。6.1结构抗震震设计思思想的演演化与发发展6.2隔震原理理与方法法6.2.1隔震原理理隔震基底隔震震悬挂隔震震结构物地地面以上上部分隔震层隔隔开限制地震震动向结结构物的的传递固结于地地基中的的基础6.2隔震原理理与方法法6.2.1隔震原理理图6.1隔震原理理6.2隔震原理理与方法法基底隔震震结构设设计应注注意:(1).在满足必必要的竖竖向承载载力的前前提下，，隔震装装置的水水平刚度度应尽可可能小，以以使结构构周期尽尽可能远远离地震震动的卓卓越周期期范围(2).保证隔震震结构在在强风作作用下不不致有太太大的位位移。通常要求求在隔震震结构系系统底部部安装风风稳定装装置或用用阻尼器器与隔震装置联联合构成成基底隔隔震系统统。6.2.1隔震原理理6.2隔震原理理与方法法6.2.2隔震分析析模型隔震建筑筑系统动力分析析模型单质点模模型多质点模模型空间分析析模型6.2隔震原理理与方法法6.2.2隔震分析析模型--单质点模模型动力平衡衡方程:—结构的总总质量；；—隔震层的的阻尼系系数和水水平刚度度；—上部简化化刚体相相对于地地面的加加速度、、速度与与位移；；—地面加速速度过程程。上部结构构侧移刚刚度远大大于隔震层的的水平刚刚度上部结构构近似为为一个刚体体单质点模模型6.2隔震原理理与方法法6.2.2隔震分析析模型—多质点模模型隔震层简化等效粘滞滞阻尼比比计算式式为：水平刚度度为k阻尼系数数为c结构层隔震支座座数量第i个隔震支支座的水水平动刚刚度第i个隔震支支座的等等效粘粘滞阻尼尼比。水平动刚刚度计算算式为:图6.26.2隔震原理理与方法法6.2.2隔震分析析模型隔震装置置隔震层以以上结构构的水平平地震作作用有效降级级采用水平平向减震震系数的的概念反反映这一一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层间剪力力最大比比值与水水平向减减震系数数的对应应关系水平向减减震系数数不宜低低于0.25，且隔震震结构的的总水平平地震作作用不得得低于非非隔震结结构在6度设防时时的总水水平地震震作用10.2减隔震装装置10.2.1常用的减减隔震装装置分为为整体型型和分离离型两类类。10.2.2目前常用用的整体体型减隔隔震装置置有：（1）铅芯橡橡胶支座座（2）高阻尼尼橡胶支支座（3）摩擦摆摆式减隔隔震支座座；10.2.3目前常用用的分离离型减隔隔震装置置有：（1）橡胶支支座+金属阻尼尼器（2）橡胶支支座+摩擦阻尼尼器（3）橡胶支支座+粘性材料料阻尼器器6.2隔震原理理与方法法6.2隔震原理理与方法法6.2.3常用隔震震装置—橡胶支座座隔震6.2隔震原理理与方法法1.橡胶支座座隔震—实例南加州大大学医院院（隔震震结构））橄榄景医医院（抗抗震结构构）1994年1月17日，美国国圣菲尔尔南多发发生洛杉杉矶地震震，震级级M=6.7，直下型型地震基础加速速度0.49g顶层加速速度0.21g加速度折折减系数数为1.8底层加速速度0.82g，顶层加速速度2.31g,加速度放放大系数数为2.8橡胶支座座隔震系系统的更更优越6.2隔震原理理与方法法橡胶支座座隔震—实例6.2隔震原理理与方法法橡胶支座座隔震橡胶支座座钢板叠层层橡胶支支座铝芯橡胶胶支座石墨橡胶胶支座在天然橡橡胶中加加入石墨墨大幅度度提高橡橡胶支座座的阻尼尼实际中应应用还不不多6.2隔震原理理与方法法橡胶支座座隔震钢板：限制橡胶胶片的横横向变形形使座竖竖向刚度度较纯橡橡胶支座座大大增增加橡胶片：：总厚度越越小所能能承受的的竖向荷荷载越大大分层橡胶胶支座支座内阻阻尼较小小，常需需配合阻阻尼器一一起使用用6.2隔震原理理与方法法橡胶支座座隔震叠层橡胶胶支座中中间钻孔灌灌入铝芯芯提高支座座大变形形时的吸能能能力集隔震器器与阻尼尼器于一一身，因因而可以以独立使使用6.2隔震原理理与方法法橡胶支座座隔震：：水平刚度度是竖向向刚度的的1%左右具有显著著的非线线性变形形特征小变形，，刚度大大，抗风风有利大变形，，橡胶剪剪切刚度度下降，，结构频频率降低低，结构构反应减减少橡胶剪应应变超过过50%以后，刚刚度又逐逐渐有所所回升，，起到安安全阀的的作用，，有利于于防止建建筑的过过量位移移6.2隔震原理理与方法法橡胶胶支支座座隔隔震震：设计计的的关关键键--合理理确确定定隔隔震震支支座座承承受受的的应应力力我国国建建筑筑抗抗震震设设计计规规范范规规定定：隔震震层层各各橡橡胶胶隔隔震震支支座座，，考考虑虑永永久久荷荷载载和和可可变变荷荷载载组组合合的的竖竖向向平平均均压压应应力力设设计计值值不不应应超超下下表表的的规规定定。。建筑类别甲类建筑乙类建筑丙类建筑平均压应力（Mpa）101215橡胶胶隔隔震震支支座座平平均均压压应应力力限限值值注：：1.对需需验验算算倾倾覆覆的的结结构构，，平平均均压压应应力力设设计计值值应应包包括括水水平平地地震震作作用用效效应应；；2.对需需进进行行竖竖向向地地震震作作用用计计算算的的结结构构，，平平均均压压应应力力设设计计值值应应包包括括竖竖向向地震震作作用用效效应应；；在罕罕遇遇地地震震作作用用下下，，不不宜宜出出现现拉拉应应力力6.2隔震震原原理理与与方方法法橡胶胶支支座座隔隔震震：：隔震震支支座座对对应应于于罕罕遇遇地地震震水水平平剪剪力力的的水水平平位位移移，，应应符符合合下下列列要要求求：：罕遇遇地地震震作作用用下下，，第第i个隔隔震震支支座座考考虑虑扭扭转转的的水水平平位位移移第i个隔隔震震支支座座的的水水平平位位移移限限值值；；对橡橡胶胶隔隔震震支支座座，，不不应应超超过过该该支支座座有有效效直直径径的的0.55倍和和支支座座各各橡橡胶胶层层总总厚厚度度3.0倍二二者者的的较较小小值值罕遇遇地地震震下下隔隔震震层层质质心心处处或或不不考考虑虑扭扭转转的的水水平平位位移移第i个隔隔震震支支座座的的扭扭转转影影响响系系数数，，应应取取考考虑虑扭扭转转和和不不考考虑虑扭扭转转时时支支座座计计算算位位移移的的比比值值；；当当隔隔震震层层以以上上结结构构的的质质心心与与隔隔震震层层刚刚度度中中心心在在两两个个主主轴轴方方向向均均无无偏偏心心时时，，边边支支座座的的扭扭转转影影响响系系数数不不应应小小于于1.1510.4.2减隔隔震震装装置置应应进进行行如如下下验验算算：：（1）对对于于橡橡胶胶型型减减隔隔震震装装置置，，在在E1地震震作作用用下下产产生生的的剪剪切切应应变变应应小小于于100%，在在E2地震震作作用用下下产产生生的的剪剪切切应应变变应应小小于于250%，并并验验算算其其稳稳定定性性；；（2）非非橡橡胶胶型型减减隔隔震震装装置置，，应应根根据据具具体体的的产产品品指指标标进进行行验验算算；；（3）应应对对减减隔隔震震装装置置在在正正常常使使用用条条件件下下的的性性能能进进行行验验算算。。10.4.3减隔震震装置置的变变形、、阻尼尼等力力学参参数应应进行行试验验测试试。试试验得得到的的力学学参数数值应应在设设计值值的±10%以内。。6.2隔震原原理与与方法法橡胶支支座隔隔震：6.2隔震原原理与与方法法2.常用隔隔震装装置--其它隔隔震装装置：滚珠隔隔震装装置已用于于墨西西哥城城内一一座五五层钢钢筋混混凝土土框架架结构构的学学校建建筑中中，安安放在在房屋屋底层层柱脚脚和地地下室室柱顶顶之间间。为为保证证不在在风载载下产产生过过大的的水平平位移移，在在地下下室采采用了了交叉叉钢拉拉杆风风稳定定装置置6.2隔震原原理与与方法法其它隔隔震装装置：：摇摆摆式隔隔震支支座是一种种摇摆摆隔震震支座座。在在杯形形基础础内设设一个个上下下两端端有竖竖孔的的双圆圆筒摇摇摆体体。竖竖孔内内穿预预应力力钢丝丝束并并锚固固在基基础和和上部部盖板板上，，起到到压紧紧摇摆摆体和和提供供复位位力的的作用用。在在摇摆摆体和和基础础壁之之间填填以沥沥青或或散粒粒物，，可为为振动动时提提供阻阻尼。。经试试验证证实：：当地地面加加速度度幅值值达330cm/s2时，被被隔震震房屋屋的加加速度度反应应被降降低到到无隔隔震反反应的的1/3左右。。我国国山西西省的的悬空空寺，，历史史上经经历多多次大大地震震而仍仍完整整无损损。分分析认认为是是其特特有的的支撑撑木柱柱起到到了摇摇摆支支座隔隔震的的作用用山西悬悬空寺寺6.2隔震原原理与与方法法其它隔隔震装装置：：不倒倒翁式式隔震震伊朗人人设计计的不不倒翁翁式隔隔震房房屋。。该房房屋顶顶面半半径显显著大大于底底面半半径，，能起起提供供复位位力的的作用用。6.3减震原原理与与方法法6.3.1耗能减减震原原理地震结构减轻结结构振振动耗能构构件耗能地震时时，结结构在在任意意时刻刻的能能量方方程为为：地震过过程中中输入入给结结构的的能量量附加耗耗能构构件的的耗能能结构主主体自自身的的耗能能能量观观点：：一一定结构地地震反反应的的降低低动力学学观点点：耗耗能装装置的的作用用，相当于于结构构的阻阻尼，，必使结结构地地震反反应6.3减震原原理与与方法法6.3.1耗能减减震原原理小震耗能装装置较大的的刚度度结构减轻结结构振振动耗能应具有有结构的的使用用性能能保证强烈地地震作作用耗能装装置结构减轻结结构振振动耗能非弹性性状态态应率先先进入大量消消耗地地震能能量有试验验表明明，耗耗能装装置可可做到到消耗耗地震震总输输入能能量的的90%以上。。6.3减震原原理与与方法法6.3.1耗能减减震原原理：：耗能元元件附附加给给结构构的有有效阻阻尼比比可按按下式式估算算：耗能减减震结结构的的地震震反应应分析析非线性性时程程反应应分析析方法法可以利利用通常需需要耗耗能元元件的的试验验数据据，以以确立立结构构动力力方程程中的的阻尼尼矩阵阵耗能减减震结结构的的附加加有效效阻尼尼比所有耗耗能部部件在在结构构预期期位移移下往往复一一周所所消耗耗的能能量设置耗耗能部部件的的结构构在预预期位位移下下的总总应变变能6.3减震原原理与与方法法6.3.2耗能减减震装装置阻尼器器耗能交交叉支支撑耗能墙墙6.3减震原原理与与方法法阻尼器器与速度度相关关的粘粘弹型型阻尼尼器以摩擦擦或金金属屈屈服为为特征征的位位移相相关型型阻尼尼器阻尼器器支撑处处框架与与剪力力墙的的连接接处梁柱连连接处处上部结结构与与基础础连接接处有相对对变形形或相相对位移的的地方方安装于于6.3.2耗能减减震装装置--阻尼器器6.3减震原原理与与方法法粘弹型型阻尼尼器最大长长度915mm，最小小长度度595mm，冲程程320mm6.3.2耗能减减震装装置6.3减震原原理与与方法法摩擦阻阻尼器器33012.52512.51006.3.2耗能减减震装装置--阻尼器器6.3减震原原理与与方法法各种形形状的的软钢钢阻尼尼器（（弹塑塑性阻阻尼器器）6.3.2耗能减减震装装置--阻尼器器6.3减震原原理与与方法法6.3.2耗能减减震装装置--耗能支支撑耗能交交叉支支撑摩擦耗耗能支支撑耗能偏偏心支支撑耗能耦耦撑屈服约约束支支撑6.3减震原原理与与方法法塑性耗耗能支支撑耗能交交叉支支撑支撑交交叉处处通过钢钢框或或钢环环的塑塑性变变形消消耗地地震能能量6.3减震原原理与与方法法摩擦耗耗能支支撑在支撑撑杆或或节点点板上上开长长圆孔孔6.3减震原原理与与方法法耗能偏偏心支支撑偏心支支撑框框架6.3减震原原理与与方法法耗能隅隅撑耦撑框框架6.3减震原原理与与方法法屈曲约约束支支撑屈曲约约束支支撑的的基本本部件件屈曲约约束支支撑的轴力力－位位移关关系6.3减震原原理与与方法法屈曲约约束支支撑屈曲约约束支支撑的的一些些典型型截面面形状状6.3减震原原理与与方法法周边耗耗能墙墙摩擦耗耗能墙墙6.3.2耗能减减震装装置--耗能墙墙6.3减震原原理与与方法法6.3.3吸振减减震原原理地震结构减轻结结构振振动附加子子结构构能量转转移6.3减震原原理与与方法法运动平平衡方方程：：--刚度--阻尼系系数--主体结结构质质量--附加子子结构构质量量、阻尼系系数、、刚度度6.3.3吸振减减震原原理：：6.3减震原原理与与方法法考虑简简谐地地面运运动输输入考虑无无阻尼尼体系系的反反应特特征主结构构振幅幅为零零系统振振动能能量集集中于于子结结构而而主体体结构构得到到了保保护数学推推导地震动动含有有多种种频率率分量量结构系系统也也必然然是有有阻尼尼系统统子结构构的频频率等等于地地面运运动输输入频频率实际情情况子结构构频率率接近近或等等于主主结构构频率率时主结构构的地地震反反应总总是可以得得到一一定程程度的的降低低6.3.3吸振减减震原原理6.3减震原原理与与方法法按照随随机振振动原原理的的分析析结果果R是主结结构的的振动动控制制频率率参数数当R<1时，表表示具具有减减震效效果大量理理论分分析结结果表表明：：主结构构的阻阻尼比比越小小，吸振装装置的的减震震作用用越大大质量比比增加加，减减震作作用增增大6.3.3吸振减减震原