桥梁减隔震技术及设计计算

2011年8月桥梁减隔震技术及设计计算中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司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.典型的减隔震装置置（铅芯、高阻尼））橡胶支座2.典型的减隔震装置置铅芯橡胶支座实验验滞回曲线铅芯橡胶支座2.典型的减隔震装置置高阻尼橡胶支座2.典型的减隔震装置置高阻尼橡胶支座实实验滞回曲线高阻尼橡胶支座2.典型的减隔震装置置摩擦摆支座产品静态模型图产品动态模型图2.典型的减隔震装置置摩擦摆支座球面：双向隔震；；柱面：单向隔震震2.典型的减隔震装置置摩擦摆支座4、时程分析2.典型的减隔震装置置金属阻尼器/支座金属阻尼器实验滞滞回曲线2.典型的减隔震装置置金属阻尼器－可单独或与其他支座配合使用2.典型的减隔震装置置粘滞阻尼器－可单独或与其他支座配合使用粘滞流体阻尼器结结构图2.典型的减隔震装置置粘滞阻尼器粘滞阻尼器阻尼力力曲线2.典型的减隔震装置置智能阻尼器磁流变阻尼器构造2.典型的减隔震装置置磁流变阻尼器磁流变阻尼器阻尼尼力随电压变化曲曲线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－铅芯橡胶支座石家庄新津桥（1998）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常用的是橡胶支座座通常安装在桥梁梁上部结构和桥墩墩（桥台）之间；；大部分建成于高烈烈度区I,II,III类场地3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例中、美、日隔震房屋应用比较中国：已建近600幢，最高19层日本：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减隔震技术在国外外的应用希腊里翁-安蒂里翁大桥（（2004）主桥塔梁之间设置置粘滞阻尼器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希腊里翁-安蒂里翁大桥（（2004）引桥墩、梁用粘滞滞阻尼器GoldenGate–U.S.A.美国金门大桥3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例韩国Su-Joung3号桥24套速度锁定支座F=1200kNs=±75±100mmV=25008000kN3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实实例3.减隔震技术在桥梁梁工程中的应用实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)梁体和桥墩之间间（设置减隔震震措施）阻尼支座（或支支座+阻尼器）拱桥（<600m,刚度大，位移小小，传统减隔震震法不适合）TMD，TLD；相对变形较大大的位置如：拉索、斜撑或桁桁架下弦杆设置耗能支撑。斜拉桥(200—800m)和悬索桥(>800m)：主桥塔梁－恰恰当的塔梁约约束方式竖向支撑+粘滞阻尼器；梁体和桥墩之间间，在漂浮方向向阻尼支座（或支支座+阻尼器）针对风致振动和风雨雨激振的结构优化、减减振设计未来减隔震技术术的发展方向1、考虑突发强强震、近场地震震作用下的结构构安全；2、采用轻质高高强材料（高强强混凝土、钢材材）结构自重及尺寸寸减小；3、结构减震（（振）控制：根根据结构性能和和响应智能调整整控制合理，有效，安安全，经济4.常用桥型的减隔隔震方案工程结构减震控控制的特点及优越性1、安全可靠，，有限减震减震控制结构的的地震反应与传统抗震结构的比值为：隔震结构8%——50%(保持弹性)耗能结构60%——80%TMD，TLD被动控制结构60%——80%（半）主动控制制结构10%——50%2、节省工程造造价+5%——-20%3、适用范围广广：新设计及已有结结构加固改造桥梁、建筑结构构、重要工程结结构；也可用于于重要仪器、设设备、环境振动动减震。4.常用桥型的减隔震震方案TMT桥梁支座产品已大大规模应用于大型型项目盆式橡胶支座、球型钢支座、速度度锁定支座、弹塑塑性钢阻尼减震支支座、滑板橡胶支支座、（铅芯）橡橡胶支座、剪力卡卡榫及其他桥梁相相关产品优势产品：速度锁锁定器，钢阻尼器器、粘滞阻尼器、、橡胶隔震支座、、摩擦摆式支座拥有产品的自主设设计能力5.TMT现有工作基础具备桥梁结构减隔隔震方案计算分析析能力具备桥梁结构减隔隔震方案计算分析析能力5.TMT现有工作基础具备使用Midas/Civil,Sap2000和ANSYS等有限元软件运用用非线性时程分析析法对桥梁结构进进行减隔震方案设设计分析的能力，，欢迎合作！4、时程分析具备桥梁结构减隔隔震方案计算分析析能力5.TMT现有工作基础4、时程分析桥梁抗震设防分类类与设防标准具备桥梁结构减隔隔震方案计算分析析能力5.TMT现有工作基础桥梁减隔震设计方方法5.TMT现有工作基础力-位移测试曲线图（（V=100mm/s）5.TMT现有工作基础首次使用FD的铁路桥梁（新建建铁路南广线桂平平郁江双线特大桥桥）分析案例单塔阻尼器布置情情况示意图5.TMT现有工作基础郁江双线特大桥减减隔震计算模型采用通用有限元分分析软件ANSYS建立全桥模型。桁桁架梁单元与桥塔塔单元采用BEAM44梁单元模拟，拉索索用LINK10杆单元模拟，二期期恒载用MASS21点质量单元模拟，，桥墩处支座用刚刚臂模拟，粘滞性性阻尼器用COMBIN37弹簧阻尼单元模拟拟。分析案例5.TMT现有工作基础主梁跨中纵向位移移最大值随阻尼器器参数变化曲线塔梁相对位移随阻阻尼器参数变化曲曲线分析案例塔顶纵向位移随阻阻尼器参数变化曲曲线塔底弯矩随阻尼器器参数变化曲线最后选定所有阻尼尼器均采用相同的的阻尼参数：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现有工作基础太北跨北同蒲铁路路特大桥双线专客高速铁路路特大桥，桥梁为为五跨连续梁拱桥桥结构，全长为572m。5.TMT现有工作基础分析案例抗震方案：各个活活动墩安装6套8000KN的速度锁定装置。。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5.TMT现有工作基础分析案例津蓟高速跨蓟运河河桥六跨连续梁桥，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