大跨度橋梁抗震設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀及新進展_圖文

1、 廠一強度設(shè)計 傳統(tǒng)抗震設(shè)計叫 一延性設(shè)計 橋梁抗震設(shè)計 被動控制 減隔震設(shè)計 控制萎薹羹霎三 主動調(diào)質(zhì)阻尼器（） 主動控制 主動聯(lián)桿（ ） 主動可調(diào)控制 混合控制 圖 橋梁抗震設(shè)計與結(jié)構(gòu)控制關(guān)系圖 也開始得到重視，它具有主動控制的自適應(yīng)性，又不需要大的能量，具有響應(yīng)頻帶較寬 的優(yōu)良特性。作為智能阻尼裝置之一的磁流變減振驅(qū)動裝置，由于出力大、響應(yīng)速 度快、阻尼力連續(xù)順逆可控等一些特性，已在土木工程中得到研究應(yīng)用，可以期望有廣 闊的應(yīng)用前景舊。在結(jié)構(gòu)振動的智能阻尼控制設(shè)計中，首先要按主動控制算法進行最 優(yōu)控制力計算。常用的最優(yōu)控制設(shè)計方法包括等現(xiàn)代時域優(yōu)化控制方法， 也有：。頻域方法等。（：。）

2、控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是求解黎 卡提方程，在結(jié)構(gòu)力學(xué)與最優(yōu)控制的相互模擬關(guān)系基礎(chǔ)上發(fā)展的精細積分方法可以精 確高效地求解黎卡提方程，為控制系統(tǒng)設(shè)計提供了新的途徑一。這種方法的基礎(chǔ)是結(jié) 構(gòu)力學(xué)與最優(yōu)控制的模擬理論，其更容易為從事結(jié)構(gòu)振動控制的研究者掌握和應(yīng)用。 大跨度橋梁減隔震設(shè)計與結(jié)構(gòu)控制研究現(xiàn)狀 目前在橋梁工程中發(fā)展相對成熟、應(yīng)用廣泛的減隔震技術(shù)屬于被動控制技術(shù)，它通 過采用減隔震措施（如安裝橡膠支座、滑移支座隔震裝置、阻尼器或其他一些減隔震措 施等）盡可能將結(jié)構(gòu)與地震地面運動分離開，大大減小了傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震和能 量。到目前為止，世界上已有數(shù)百座橋梁采用了不同形式的基礎(chǔ)隔震和部分隔

3、震的方 法。值得一提的是希臘大橋，該橋建造在歐洲地震活動的頻發(fā)地區(qū)， 地基上的地震最大加速度為 ，海峽兩岸正以 年的速度發(fā)生著地殼的相對變 化。該橋位的水深為 ，基巖于水面以下 ，必須在砂和粘土層的沖積地基 上建設(shè)基礎(chǔ)。選擇了四塔五跨的連續(xù)斜拉橋結(jié)構(gòu)，主橋跨徑布置為 ，全漂浮體系，兩端是簡支。在 直徑的圓形擴大基礎(chǔ)下，有更大范圍 的鋼管樁群來加固地基，兩者之間為礫石墊層，在有地震或位移時可以產(chǎn)生滑動和緩 沖，起了隔震的作用。如果主塔基礎(chǔ)不滑動，那么橋上就會作用很大的地震力，使結(jié)構(gòu) 】 難以抵抗，而現(xiàn)在的處理方法，能消解巨大的地震力，而且也不會發(fā)生成為問題的塑性 變形。 目前，在國內(nèi)外大跨度橋梁

4、抗震設(shè)計中，采用較多和較成熟的技術(shù)是安裝被動阻尼 器或柔性約束體系來減小地震作用下的反應(yīng)。 相對于橋梁中廣泛采用的減隔震技術(shù)被動調(diào)諧減震控制技術(shù)提出稍晚。結(jié)構(gòu)被動 調(diào)諧減震控制體系是由結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì) 量、剛度和阻尼，因而可以調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或 激振頻率。這樣當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵而振動時，子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個與結(jié)構(gòu)振動方向相反 的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減并受到控制。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （ ）是被動調(diào)諧減震控制中非常重要的減震形式，目前已有許多學(xué)者 把應(yīng)用于大跨度斜拉橋和懸索橋主塔的振動控制研究，結(jié)果表明：的效果對 地

5、震地面運動的頻率的依賴性較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)固有頻率接近地面運動主頻率時，能 夠有效地控制結(jié)構(gòu)的振動；但當(dāng)結(jié)構(gòu)固有頻率遠離地面運動主頻率時，的效果將 大大降低。 由于被動控制的控制效果有限，以及控制精度較差一些的弱點，目前主動控制已成 為一個重要的研究方向。從理論上講主動控制是最為有效的控制方法，主動控制是有 外加能源的控制，具有較高的控制有效性，同時也可以有針對性的將主動控制力施加于 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。盡管大跨度橋梁（斜拉橋）的主動控制在世紀(jì)年代就已經(jīng)提 出，但其研究大大落后于對高聳結(jié)構(gòu)的主動控制。目前，全橋模型主動控制地震動力 分析方法的研究還很少，已有的研究大多也局限于單自由度的簡單模型或僅對橋梁

6、的 某一部分（如索、橋面板、橋墩等）單獨進行控制研究。研究主要集中在主動調(diào)諧質(zhì)量 阻尼器（ ）。系統(tǒng)是在的基礎(chǔ)上增加了主動控制 系統(tǒng)而形成的，通過施加主動控制力，克服系統(tǒng)對地震運動頻率特性敏感的缺點， 從而提高減震效果。 近些年來，隨著智能材料（如電流變流體、磁流變流體、形狀記憶合金等）的 出現(xiàn)，半主動控制已成為土木工程界關(guān)注的焦點。半主動控制系統(tǒng)綜合了主動控制與 被動控制的優(yōu)點，既具有被動控制系統(tǒng)的可靠性，又有具有主動控制系統(tǒng)的強適應(yīng)性， 它不需要大功率的外部能源支持，少許的能量輸入就可以得到與主動控制近似的控制 效果。其響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)，即使地震時外部能源失效，仍可

7、 以充當(dāng)被動阻尼器，起到被動控制的效果。目前半主動控制技術(shù)理論研究和裝置開發(fā) 取得了大量的成果，并已經(jīng)在結(jié)構(gòu)振動控制方面得到了初步應(yīng)用，不久的將來其必將廣 泛應(yīng)用于高層和大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的振動控制。 大跨度橋梁抗震設(shè)計的一些問題及研究方法 （）目前，大跨度橋梁抗震在設(shè)防目標(biāo)和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、地震動輸入、概念設(shè)計和構(gòu)造 措施、減隔震設(shè)計以及基于性能的抗震設(shè)計方法等方面都還值得進一步深入研究。 （）為了深入了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)規(guī)律及抗震措施的有效性，近些年來 人們一直致力于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的試驗研究。地震模擬振動臺能夠很好地再現(xiàn)地震發(fā)生 過程和進行人工地震波試驗，是在實驗室中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)、破壞機理的

8、有效工具和 最直接的方法，過去幾十年中，地震模擬振動臺在橋梁、海洋結(jié)構(gòu)、核工程等抗震領(lǐng)域發(fā) 揮了巨大作用。目前實驗室試驗低成本性、可控制性和可重復(fù)性等優(yōu)點已日益受到 人們的重視，特別是年洛馬普里埃塔地震和年阪神地震中大量震害使地 震工程界對現(xiàn)有的設(shè)計思想、方法進一步反思，也使得實驗室振動臺建設(shè)及試驗研究受 到普遍關(guān)注。目前對于多點輸入問題的研究，主要局限于理論和數(shù)值方法的研究，應(yīng)通 過橋梁模型的多方案實驗，與理論及數(shù)值研究進行分析比較，從而使理論與方法建立在 更為堅實的基礎(chǔ)上，推動這項研究向縱深發(fā)展。同時，大跨度橋梁的實際震害經(jīng)驗很 少，因此更應(yīng)重視試驗研究。目前，我國重慶交通科研設(shè)計院已建成

9、世界上唯一的一個 大型三軸向高性能地震模擬試驗臺陣系統(tǒng)，從而使得大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的地震模擬試驗 研究成為可能。 （）大部分地震的強震持續(xù)時間只有二三十秒，而對于大跨度橋梁，其基本周期已 達十幾至二十秒，實際上應(yīng)該考慮地面激勵的非平穩(wěn)效應(yīng)。目前，主要通過演變功率譜 模型來反映場地的振幅與頻率的非平穩(wěn)性，但對于模型的建立、參數(shù)統(tǒng)計、響應(yīng)的處理 等還有大量工作需要進行。此外，相位譜與相位差譜的分布性質(zhì)也是影響地震動非平 穩(wěn)性的另一個重要因素，但對于相位譜與相位差譜本質(zhì)規(guī)律的認識還有待于結(jié)合地球 物理學(xué)和波動學(xué)理論對地震動的震源機制、傳播路徑和頻散性的進一步研究。 （）隨著我國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范適用范圍的擴大，工程設(shè)計與新的理論、方法 的結(jié)合將更為密切，很多先進的分析方法是不可能用手工完成的。在微機已經(jīng)十分普 及的今天，廣大工程設(shè)計人員已經(jīng)有條件，也應(yīng)該更多地應(yīng)用這些現(xiàn)代化工具去實現(xiàn)更 為先進可靠的設(shè)計理念了。而研究編寫一整套有自主版權(quán)、適用于橋梁抗震設(shè)計的規(guī) 范化程序，則是有必要的。程序的可操作性與可靠性直接影響到工程師對先進技術(shù)的 使用。這方面的工作需要力學(xué)工作者與工程技術(shù)人員緊密配合方能完成。 參考資料 林家浩，張亞輝隨機振動的虛擬激勵法北京：科學(xué)出版社， 林家浩，張亞輝，趙巖大跨度結(jié)構(gòu)抗震分析方法及近期進展力學(xué)