桥梁减隔震技术基本概念及设计计算

桥梁减隔震技术基本概念及设计计算内容提要减隔震技术的基本概念与机理典型减隔震装置减隔震技术的应用常用桥型的减隔震方案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.典型的的减隔隔震装装置（铅芯芯、高高阻尼尼）橡橡胶支支座2.典型的的减隔隔震装装置铅芯橡橡胶支支座实实验滞滞回曲曲线铅芯橡橡胶支支座2.典型的的减隔隔震装装置高阻尼尼橡胶胶支座座2.典型的的减隔隔震装装置高阻尼尼橡胶胶支座座实验验滞回回曲线线高阻尼尼橡胶胶支座座2.典型的的减隔隔震装装置摩擦摆摆支座座产品静静态模模型图图产品动动态模模型图图2.典型的的减隔隔震装装置摩擦摆摆支座座球面：：双向向隔震震；柱柱面：：单向向隔震震2.典型的的减隔隔震装装置摩擦摆摆支座座4、时程程分析析2.典型的的减隔隔震装装置金属阻阻尼器器/支座金属阻阻尼器器实验验滞回回曲线线2.典型的的减隔隔震装装置金属阻阻尼器器－可单独或与其他他支座座配合使用2.典型的的减隔隔震装装置粘滞阻阻尼器器－可单独或与其其他支支座配合使用粘滞流流体阻阻尼器器结构构图2.典型的的减隔隔震装装置粘滞阻阻尼器器粘滞阻阻尼器器阻尼尼力曲曲线2.典型的的减隔隔震装装置智能阻阻尼器器磁流变变阻尼尼器构造2.典型的的减隔隔震装装置磁流变变阻尼尼器磁流变变阻尼尼器阻阻尼力力随电电压变变化曲曲线3.减隔震震技术术在桥桥梁工工程中中的应应用实实例减隔震震技术术在中中国的的应用用－铅芯芯橡胶胶支座座石家庄庄新津津桥（1998）3.减隔震震技术术在桥桥梁工工程中中的应应用实实例减隔震技术在中国国的应用－铅芯橡胶支座新疆布谷孜大桥(1999)3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－铅芯橡胶支座澳门西湾大桥（2004）3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥（2008）引桥采用铅芯橡胶胶支座3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥引桥（2008）3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－摩擦型支座佛山平胜大桥3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－摩擦摆支座苏通大桥横桥向用柱面，双双向用球面3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－粘滞阻尼器苏通大桥（纵桥向限位阻尼尼器）3.减隔震技术在桥减隔震技术在中国国的应用－粘滞阻尼器阻尼器安装示意图图3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在中国国的应用－MR阻尼器岳阳洞庭湖大桥：：MR阻尼器MR阻尼器3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在国外外的应用截至止2000年(范立础)新西兰(1973)有48座公路桥梁和1座铁路桥梁采用减减隔震技术，其中中40座采用了铅芯橡胶胶支座LRB；意大利(1974)有150多座桥梁采用减隔隔振技术；美国(1979)有100多座，其中90多座采用LRB；日本(1990)有30多座，其中一半采采用LRB除意大利外，桥梁梁减隔震设计最常

大部分建成于高烈度区I,II,III类场地3.中、美、日隔震房屋应用比较中国：已建近600幢，最高日本：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.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在地震震中的表现新西兰TeTeko桥在1987年的里氏6.37级地震中经受住考考验（0.4g）；美国EelRiverBridge在1992的加利福尼亚地震震中（震中峰值加加速度>2g)表现很好，震后完完全复位；地震中所有采用减减隔震技术的建筑筑表现良好（美国国和日本，衰减系系数2-3）采用减隔震技术可可以增强结构的安安全性3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在国外外的应用日本城市高速公路路桥－橡胶支座3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在国外外的应用日本城市高速公路路桥－橡胶支座3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在国外外的应用日本多多罗斜拉桥桥（1999）塔梁之间设置大型型橡胶支座3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例减隔震技术在国外外的应用希腊里翁-安蒂里翁大桥（（2004）3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例希腊里翁-安蒂里翁大桥（（2004）主桥塔梁之之间设置粘粘滞阻尼器器3.减隔震技术术在桥梁工工程中的应应用实例减隔震技术术在国外的的应用希腊里翁-安蒂里翁大大桥（2004）引桥墩、梁梁用粘滞阻阻尼器GoldenGate––U.S.A.美国金门大大桥3.减隔震技术术在桥梁工工程中的应应用实例韩国Su-Joung3号桥24套速度锁定定支座F=1200kNs=±75±100mmV=25008000kN3.减隔震技术术在桥梁工工程中的应应用实例3.减隔震技术术在桥梁工工程中的应应用实例减隔震技术术在国外的的应用日本明石海海峡大桥每座桥塔安安装TMD抗风装置，经受受1995神户地震需要思考的的问题起控制作用用的荷载和和条件－温度度？(竖向)地震？风？？组合？－场地地条件：软软土地基？？确定是否有有必要采用用减隔震技技术？分析模型和和分析方法法－全桥模模型？SSI效应？－线性/非线性时程程分析？反反应谱？－地震波波的选用减隔震技术术方案的对对比和优化化－提供经经济、有效效和合理的的解决方案案4.常用桥型的的减隔震方方案不同方案的的减隔震效效果、费用用及可靠性性对比(铅芯)橡胶隔震支支座：好较低很很好高阻尼橡胶胶支座：好一一般很很好摩擦摆支座座：好一一般好好钢阻尼支座座：好较较低好好粘滞阻尼器器：非常好很很高一一般减隔震效果果费费用可可靠性性4.常用桥型的的减隔震方方案4.常用桥型的的减隔震方方案常见的桥梁梁减隔震建建议方案梁桥(<300m)梁体和桥墩墩之间（设设置减隔震震措施）阻尼支座（（或支座+阻尼器）拱桥（<600m,刚度大，位位移小，传传统减隔震震法不适合合）TMD，TLD；相对变形形较大的位位置如：拉索、斜撑撑或桁架下下弦杆设置耗能支撑。斜拉桥(200—800m)和悬索桥(>800m)：主桥塔梁－－恰当当的塔梁约约束方式竖向支撑+粘滞阻尼器器；梁体和桥墩墩之间，在在漂浮方向向阻尼支座（（或支座+阻尼器）针对风致振动和和风雨激振振的结构优化化、减振设设计未来减隔震震技术的发展方向1、考虑突突发强震、、近场地震震作用下的的结构安全全；2、采用轻轻质高强材材料（高强强混凝土、、钢材）结构自重及及尺寸减小小；3、结构减减震（振））控制：根根据结构性性能和响应应智能调整整控制合理，有效效，安全，，经济4.常用桥型的的减隔震方方案工程结构减减震控制的的特点及优越越性1、安全可可靠，有限限减震减震控制结结构的地震震反应与传统抗震结结构的比值为：隔震结构8%——50%(保持弹性)耗能结构60%——80%TMD，TLD被动控制结结构60%——80%（半）主动动控制结构构10%——50%2、节省工工程造价+5%——-20%3、适用范范围广：新设计及已已有结构加加固改造桥梁、建筑筑结构、重重要工程结结构；也可可用于重要要仪器、设设备、环境境振动减震震。4.常用桥型的的减隔震方方案TMT桥梁支座座产品已已大规模模应用于于大型项项目盆式橡胶胶支座、球型钢支支座、速速度锁定定支座、、弹塑性性钢阻尼尼减震支支座、滑滑板橡胶胶支座、、（铅芯芯）橡胶胶支座、、剪力卡卡榫及其其他桥梁梁相关产产品优势产品品：速度度锁定器器，钢阻阻尼器、、粘滞阻阻尼器、、橡胶隔隔震支座座、摩擦擦摆式支支座拥有产品品的自主主设计能能力5.TMT现有工作作基础具备桥梁梁结构减减隔震方方案计算算分析能能力具备桥梁梁结构减减隔震方方案计算算分析能能力5.TMT现有工作作基础具备使用用Midas/Civil,Sap2000和ANSYS等有限元元软件运运用非线线性时程程分析法法对桥梁梁结构进进行减隔隔震方案案设计分分析的能能力，欢欢迎合作作！4、时程分分析具备桥梁梁结构减减隔震方方案计算算分析能能力5.TMT现有工作作基础4、时程分分析桥梁抗震震设防分分类与设设防标准准具备桥梁梁结构减减隔震方方案计算算分析能能力5.TMT现有工作作基础桥梁减隔隔震设计计方法5.TMT现有工作作基础力-位移测试试曲线图图（V=100mm/s）5.T首次使用FD的铁路桥梁（（新建铁路南南广线桂平郁郁江双线特大大桥）分析案例单塔阻尼器布布置情况示意意图5.TMT现有工作基础础郁江双线特大大桥减隔震计计算模型采用通用有限限元分析软件件ANSYS建立全桥模型型。桁架梁单单元与桥塔单单元采用BEAM44梁单元模拟，，拉索用LINK10杆单元模拟，，二期恒载用用MASS21点质量单元模模拟，桥墩处处支座用刚臂臂模拟，粘滞滞性阻尼器用用COMBIN37弹簧阻尼单元元模拟。分析案例5.TMT现有工作基础础主梁跨中纵向向位移最大值值随阻尼器参参数变化曲线线塔梁相对位移移随阻尼器参参数变化曲线线分析案例塔顶纵向位移移随阻尼器参参数变化曲线线塔底弯矩随阻阻尼器参数变变化曲线最后选定所有有阻尼器均采采用相同的阻阻尼参数：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现有工作基础础太北跨北同蒲蒲铁路特大桥桥双线专客高速速铁路特大桥桥，桥梁为五五跨连续梁拱拱桥结构，全全长为572m。5.TMT现有工作基础础分析案例抗震方案：各各个活动墩安安装6套8000KN的速度锁定装装置。计算结果：弯弯矩和剪力值值趋于均匀，，最大值大大大降低减震后桥梁最最大弯矩和剪剪力未减震桥梁最最大弯矩和剪剪力5.TMT现有工作基础础分析案例5.TMT现有工作基础础分析案例津蓟高速跨蓟蓟运河桥六跨连续梁桥，跨跨度为40.5m+4×54m+40.5m。其中3号墩设固定支座，，其余墩设活动支支座抗震方案：各个活活动墩安装2套4000KN的速度锁定支座。。计算结果：弯矩和和剪力值趋于均匀匀，最大值大大降降低减震后桥梁最大弯弯矩和剪力未减震桥梁最大弯弯矩和剪力5.TMT现有工作基础分析案例固定墩墩底最大弯弯矩值由83000KN*m下降为28000KN*m5.TMT现有工作基础分析案例计算结果：弯矩和和剪力值趋于均匀匀，最大值大大降降低5.TMT现有工作基础分析案例天水经济开发区跨跨渭河桥五跨连续梁结构，，跨度为5×30m。减隔震方案：中间间四个墩采用高阻阻尼支座，两个边墩采用滑动动型支座。计算结果：能够满满足E1和E2地震的抗震设防要要求E2地震下桥梁最大弯矩和剪剪力E1地震下减震桥梁最最大弯矩和剪力5.TMT现有工作基础分析案例计算结果：能够满满足E1和E2地震的抗震设防要要求E1地震下高阻尼支座座滞回曲线5.