橋梁隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步設計

隔震震減減震震與與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)控控制制初初步步第六六章章橋橋梁梁減減隔隔震震設設計計第六六章章橋橋梁梁減減隔隔震震設設計計6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展6.2隔震震的的原原理理與與方方法法6.3減震震的的原原理理與與方方法法6.4結(jié)構(gòu)構(gòu)主主動動控控制制初初步步6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展產(chǎn)生傳遞引起震源源地震震波波建筑筑物物所所在在場場地地結(jié)構(gòu)構(gòu)的的地地震震反反應應6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展地震震位位移移反反應應地震震剪剪力力小大小大地震震內(nèi)內(nèi)力力6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展地震震動動作作用用下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)位位移移過過大大,實踐踐上上的的困困難難延性性結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系剛性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系反應應接接近近地地面面地地震震運運動動一般般不不發(fā)發(fā)生生結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)強強度度破破壞壞導致致材材料料的的浪浪費費柔性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系減少少結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)物物的的剛剛性性避免免結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與地地面面運運動發(fā)發(fā)生生類類共共振振減輕輕地地震震力力6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展“延延性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系””基本本要要求求實現(xiàn)現(xiàn)延性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體系系設設計計是是工工程程師師所所追追求求的的抗抗震震基本本目目標標適當當控控制制結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)物物的的剛剛度度與與強強度度結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件件進進入入非非彈彈性性狀狀態(tài)態(tài)后后仍仍具具有有較較大大的的延延性性通過過塑塑性性變變形形消消耗耗地地震震能能量量“壞壞而而不不倒倒””6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展當?shù)氐鼗颈玖伊叶榷鹊氐卣鹫鸾ㄖ镂锟赡苣苓M進入入非非彈彈性性破破壞壞狀狀態(tài)態(tài)裝修修與與內(nèi)內(nèi)部部設備備破破壞壞延性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)被動動抵抵御御地地震震作作用用作用用導致致巨大大經(jīng)經(jīng)濟濟損損失失某些些生生命命線線工工程程損損失失更更是是難難以以估估量量延性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系的的應應用用也也有有一一定定的的局局限限性性隔震震、、減減震震、、制制振振技技術術6.1結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗震震設設計計思思想想的的演演化化與與發(fā)發(fā)展展隔震震：地震震動動結(jié)構(gòu)隔離裝置置隔開減小結(jié)構(gòu)構(gòu)振動主要方法法基底隔震震懸掛隔震震6.1結(jié)構(gòu)抗震震設計思思想的演演化與發(fā)發(fā)展香港匯豐豐銀行（（懸掛隔隔震）南加州大大學醫(yī)院院（隔震震結(jié)構(gòu)））6.1結(jié)構(gòu)抗震震設計思思想的演演化與發(fā)發(fā)展減震：地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)振動耗能裝置置或附加加子結(jié)構(gòu)構(gòu)(如調(diào)頻質(zhì)質(zhì)量TMD）耗能主要方法法耗能減震震沖擊減震震吸振減震震6.1結(jié)構(gòu)抗震震設計思思想的演演化與發(fā)發(fā)展主動控制制（狹義的的制震技技術）自動控制制系統(tǒng)施加控制制力地震結(jié)構(gòu)減小結(jié)構(gòu)構(gòu)振動6.1結(jié)構(gòu)抗震震設計思思想的演演化與發(fā)發(fā)展研究、探探索并部部分應用用于工程程實踐的的時期。。隔震技術術實用階段段減震制振技術術10橋梁減隔隔震設計計10.1一般規(guī)定定10.1.1本章給出出的是橋橋梁減隔隔震設計計的原則則。10.1.2滿足下列列條件之之一的橋橋梁，可可采用減減隔震設設計：（1）橋墩為為剛性墩墩，橋梁梁的基本本振動周周期比較較短；（2）橋墩高高度相差差較大時時；（3）橋址區(qū)區(qū)的預期期地面運運動特性性比較明明確，主主要能量量集中在在高頻段段時。6.1結(jié)構(gòu)抗震震設計思思想的演演化與發(fā)發(fā)展10.1.3存在以下下情況之之一時，，不宜采采用減隔隔震設計計。（1）地震作作用下，，場地可可能失效效；（2）下部結(jié)結(jié)構(gòu)剛度度小，橋橋梁的基基本周期期比較長長；（3）位于軟軟弱場地地，延長長周期可可能引起起地基和和橋梁共共振；（4）支座中中可能出出現(xiàn)負反反力。6.1結(jié)構(gòu)抗震震設計思思想的演演化與發(fā)發(fā)展6.2隔震原理理與方法法6.2.1隔震原理理隔震基底隔震震懸掛隔震震結(jié)構(gòu)物地地面以上上部分隔震層隔隔開限制地震震動向結(jié)結(jié)構(gòu)物的的傳遞固結(jié)于地地基中的的基礎6.2隔震原理理與方法法6.2.1隔震原理理圖6.1隔震原理理6.2隔震原理理與方法法基底隔震震結(jié)構(gòu)設設計應注注意:(1).在滿足必必要的豎豎向承載載力的前前提下，，隔震裝裝置的水水平剛度度應盡可可能小，以以使結(jié)構(gòu)構(gòu)周期盡盡可能遠遠離地震震動的卓卓越周期期范圍(2).保證隔震震結(jié)構(gòu)在在強風作作用下不不致有太太大的位位移。通常要求求在隔震震結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)底部部安裝風風穩(wěn)定裝裝置或用用阻尼器器與隔震裝置聯(lián)聯(lián)合構(gòu)成成基底隔隔震系統(tǒng)統(tǒng)。6.2.1隔震原理理6.2隔震原理理與方法法6.2.2隔震分析析模型隔震建筑筑系統(tǒng)動力分析析模型單質(zhì)點模模型多質(zhì)點模模型空間分析析模型6.2隔震原理理與方法法6.2.2隔震分析析模型--單質(zhì)點模模型動力平衡衡方程:—結(jié)構(gòu)的總總質(zhì)量；；—隔震層的的阻尼系系數(shù)和水水平剛度度；—上部簡化化剛體相相對于地地面的加加速度、、速度與與位移；；—地面加速速度過程程。上部結(jié)構(gòu)構(gòu)側(cè)移剛剛度遠大大于隔震層的的水平剛剛度上部結(jié)構(gòu)構(gòu)近似為為一個剛體體單質(zhì)點模模型6.2隔震原理理與方法法6.2.2隔震分析析模型—多質(zhì)點模模型隔震層簡化等效粘滯滯阻尼比比計算式式為：水平剛度度為k阻尼系數(shù)數(shù)為c結(jié)構(gòu)層隔震支座座數(shù)量第i個隔震支支座的水水平動剛剛度第i個隔震支支座的等等效粘粘滯阻尼尼比。水平動剛剛度計算算式為:圖6.26.2隔震原理理與方法法6.2.2隔震分析析模型隔震裝置置隔震層以以上結(jié)構(gòu)構(gòu)的水平平地震作作用有效降級級采用水平平向減震震系數(shù)的的概念反反映這一一特點層間剪力最大比值0.530.350.260.18水平向減震系數(shù)0.750.500.380.25層間剪力力最大比比值與水水平向減減震系數(shù)數(shù)的對應應關系水平向減減震系數(shù)數(shù)不宜低低于0.25，且隔震震結(jié)構(gòu)的的總水平平地震作作用不得得低于非非隔震結(jié)結(jié)構(gòu)在6度設防時時的總水水平地震震作用10.2減隔震裝裝置10.2.1常用的減減隔震裝裝置分為為整體型型和分離離型兩類類。10.2.2目前常用用的整體體型減隔隔震裝置置有：（1）鉛芯橡橡膠支座座（2）高阻尼尼橡膠支支座（3）摩擦擺擺式減隔隔震支座座；10.2.3目前常用用的分離離型減隔隔震裝置置有：（1）橡膠支支座+金屬阻尼尼器（2）橡膠支支座+摩擦阻尼尼器（3）橡膠支支座+粘性材料料阻尼器器6.2隔震原理理與方法法6.2隔震原理理與方法法6.2.3常用隔震震裝置—橡膠支座座隔震6.2隔震原理理與方法法1.橡膠支座座隔震—實例南加州大大學醫(yī)院院（隔震震結(jié)構(gòu)））橄欖景醫(yī)醫(yī)院（抗抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)）1994年1月17日，美國圣圣菲爾南多多發(fā)生洛杉杉磯地震，，震級M=6.7，直下型地地震基礎加速度度0.49g頂層加速度度0.21g加速度折減減系數(shù)為1.8底層加速度度0.82g，頂層加速度度2.31g,加速度放大大系數(shù)為2.8橡膠支座隔隔震系統(tǒng)的的更優(yōu)越6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震—實例6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震橡膠支座鋼板疊層橡橡膠支座鋁芯橡膠支支座石墨橡膠支支座在天然橡膠膠中加入石石墨大幅度度提高橡膠膠支座的阻阻尼實際中應用用還不多6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震鋼板：限制橡膠片片的橫向變變形使座豎豎向剛度較較純橡膠支支座大大增增加橡膠片：總厚度越小小所能承受受的豎向荷荷載越大分層橡膠支支座支座內(nèi)阻尼尼較小，常常需配合阻阻尼器一起起使用6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震疊層橡膠支支座中間鉆孔灌入入鋁芯提高支座大大變形時的吸能能能力集隔震器與與阻尼器于于一身，因因而可以獨獨立使用6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震：水平剛度是是豎向剛度度的1%左右具有顯著的的非線性變變形特征小變形，剛剛度大，抗抗風有利大變形，橡橡膠剪切剛剛度下降，，結(jié)構(gòu)頻率率降低，結(jié)結(jié)構(gòu)反應減減少橡膠剪應變變超過50%以后，剛度度又逐漸有有所回升，，起到安全全閥的作用用，有利于于防止建筑筑的過量位位移6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震：設計的關鍵鍵--合理確定隔隔震支座承承受的應力力我國建筑抗抗震設計規(guī)規(guī)范規(guī)定：隔震層各橡橡膠隔震支支座，考慮慮永久荷載載和可變荷荷載組合的的豎向平均均壓應力設設計值不應應超下表的的規(guī)定。建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑平均壓應力（Mpa）101215橡膠隔震支支座平均壓壓應力限值值注：1.對需驗算傾傾覆的結(jié)構(gòu)構(gòu)，平均壓壓應力設計計值應包括括水平地震震作用效應應；2.對需進行豎豎向地震作作用計算的的結(jié)構(gòu)，平平均壓應力力設計值應應包括豎向向地震作用效效應；在罕遇地震震作用下，，不宜出現(xiàn)現(xiàn)拉應力6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震：隔震支座對對應于罕遇遇地震水平平剪力的水水平位移，，應符合下下列要求：：罕遇地震作作用下，第第i個隔震支座座考慮扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的水平位位移第i個隔震支座座的水平位位移限值；；對橡膠隔震震支座，不不應超過該該支座有效效直徑的0.55倍和支座各各橡膠層總總厚度3.0倍二者的較較小值罕遇地震下下隔震層質(zhì)質(zhì)心處或不不考慮扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的水平位位移第i個隔震支座座的扭轉(zhuǎn)影影響系數(shù)，，應取考慮慮扭轉(zhuǎn)和不不考慮扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時支座座計算位移移的比值；；當隔震層層以上結(jié)構(gòu)構(gòu)的質(zhì)心與與隔震層剛剛度中心在在兩個主軸軸方向均無無偏心時，，邊支座的的扭轉(zhuǎn)影響響系數(shù)不應應小于1.1510.4.2減隔震裝置置應進行如如下驗算：：（1）對于橡膠膠型減隔震震裝置，在在E1地震作用下下產(chǎn)生的剪剪切應變應應小于100%，在E2地震作用下下產(chǎn)生的剪剪切應變應應小于250%，并驗算其其穩(wěn)定性；；（2）非橡膠型型減隔震裝裝置，應根根據(jù)具體的的產(chǎn)品指標標進行驗算算；（3）應對減隔隔震裝置在在正常使用用條件下的的性能進行行驗算。10.4.3減隔震裝置置的變形、、阻尼等力力學參數(shù)應應進行試驗驗測試。試試驗得到的的力學參數(shù)數(shù)值應在設設計值的±10%以內(nèi)。6.2隔震原理與與方法橡膠支座隔隔震：6.2隔震原理與與方法2.常用隔震裝裝置--其它隔震裝裝置：滾珠隔震裝裝置已用于墨西西哥城內(nèi)一一座五層鋼鋼筋混凝土土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)的學校建建筑中，安安放在房屋屋底層柱腳腳和地下室室柱頂之間間。為保證證不在風載載下產(chǎn)生過過大的水平平位移，在在地下室采采用了交叉叉鋼拉桿風風穩(wěn)定裝置置6.2隔震原理與與方法其它隔震裝裝置：搖擺擺式隔震支支座是一種搖擺擺隔震支座座。在杯形形基礎內(nèi)設設一個上下下兩端有豎豎孔的雙圓圓筒搖擺體體。豎孔內(nèi)內(nèi)穿預應力力鋼絲束并并錨固在基基礎和上部部蓋板上，，起到壓緊緊搖擺體和和提供復位位力的作用用。在搖擺擺體和基礎礎壁之間填填以瀝青或或散粒物，，可為振動動時提供阻阻尼。經(jīng)試試驗證實：：當?shù)孛婕蛹铀俣确抵颠_330cm/s2時，被隔震震房屋的加加速度反應應被降低到到無隔震反反應的1/3左右。我國國山西省的的懸空寺，，歷史上經(jīng)經(jīng)歷多次大大地震而仍仍完整無損損。分析認認為是其特特有的支撐撐木柱起到到了搖擺支支座隔震的的作用山西懸空寺寺6.2隔震原理與與方法其它隔震裝裝置：不倒倒翁式隔震震伊朗人設計計的不倒翁翁式隔震房房屋。該房房屋頂面半半徑顯著大大于底面半半徑，能起起提供復位位力的作用用。6.3減震原理與與方法6.3.1耗能減震原原理地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振振動耗能構(gòu)件耗能地震時，結(jié)結(jié)構(gòu)在任意意時刻的能能量方程為為：地震過程中中輸入給結(jié)結(jié)構(gòu)的能量量附加耗能構(gòu)構(gòu)件的耗能能結(jié)構(gòu)主體自自身的耗能能能量觀點：：一一定結(jié)構(gòu)地震反反應的降低低動力學觀點點：耗能裝裝置的作用用，相當于結(jié)構(gòu)構(gòu)的阻尼，，必使結(jié)構(gòu)地地震反應6.3減震原理與與方法6.3.1耗能減震原原理小震耗能裝置較大的剛度度結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振振動耗能應具有結(jié)構(gòu)的使用用性能保證強烈地震作作用耗能裝置結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振振動耗能非彈性狀態(tài)態(tài)應率先進入大量消耗地地震能量有試驗表明明，耗能裝裝置可做到到消耗地震震總輸入能能量的90%以上。6.3減震原理與與方法6.3.1耗能減震原原理：耗能元件附附加給結(jié)構(gòu)構(gòu)的有效阻阻尼比可按按下式估算算：耗能減震結(jié)結(jié)構(gòu)的地震震反應分析析非線性時程程反應分析析方法可以利用通常需要耗耗能元件的的試驗數(shù)據(jù)據(jù)，以確立立結(jié)構(gòu)動力力方程中的的阻尼矩陣陣耗能減震結(jié)結(jié)構(gòu)的附加加有效阻尼尼比所有耗能部部件在結(jié)構(gòu)構(gòu)預期位移移下往復一一周所消耗耗的能量設置耗能部部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)在預期位位移下的總總應變能6.3減震原理與與方法6.3.2耗能減震裝裝置阻尼器耗能交叉支支撐耗能墻6.3減震原理與與方法阻尼器與速度相關關的粘彈型型阻尼器以摩擦或金金屬屈服為為特征的位位移相關型型阻尼器阻尼器支撐處框架與剪力力墻的連接接處梁柱連接處處上部結(jié)構(gòu)與與基礎連接接處有相對變形形或相對位移的地方方安裝于6.3.2耗能減震裝裝置--阻尼器6.3減震原理與與方法粘彈型阻尼尼器最大長度915mm，最小長度度595mm，沖程320mm6.3.2耗能減震裝裝置6.3減震原理與與方法摩擦阻尼器器33012.52512.51006.3.2耗能減震裝裝置--阻尼器6.3減震原理與與方法各種形狀的的軟鋼阻尼尼器（彈塑塑性阻尼器器）6.3.2耗能減震裝裝置--阻尼器6.3減震原理與與方法6.3.2耗能減震裝裝置--耗能支撐耗能交叉支支撐摩擦耗能支支撐耗能偏心支支撐耗能耦撐屈服約束支支撐6.3減震原理與與方法塑性耗能支支撐耗能交叉支支撐支撐交叉處處通過鋼框或或鋼環(huán)的塑塑性變形消消耗地震能能量6.3減震原理與與方法摩擦耗能支支撐在支撐桿或或節(jié)點板上上開長圓孔孔6.3減震原理與與方法耗能偏心支支撐偏心支撐框框架6.3減震原理與與方法耗能隅撐耦撐框架6.3減震原理與與方法屈曲約束支支撐屈曲約束支支撐的基本本部件屈曲約束支支撐的軸力－位位移關系6.3減震原理與與方法屈曲約束支支撐屈曲約束支支撐的一些些典型截面面形狀6.3減震原理與與方法周邊耗能墻墻摩擦耗能墻墻6.3.2耗能減震裝裝置--耗能墻6.3減震原理與與方法6.3.3吸振減震原原理地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振振動附加子結(jié)構(gòu)構(gòu)能量轉(zhuǎn)移6.3減震原理與與方法運動平衡方方程：--剛度--阻尼系數(shù)--主體結(jié)構(gòu)質(zhì)質(zhì)量--附加子結(jié)構(gòu)構(gòu)質(zhì)量、阻尼系數(shù)、、剛度6.3.3吸振減震原原理：6.3減震原理與與方法考慮簡諧地地面運動輸輸入考慮無阻尼尼體系的反反應特征主結(jié)構(gòu)振幅幅為零系統(tǒng)振動能能量集中于于子結(jié)構(gòu)而而主體結(jié)構(gòu)構(gòu)得到了保保護數(shù)學推導地震動含有有多種頻率率分量結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也也必然是有有阻尼系統(tǒng)統(tǒng)子結(jié)構(gòu)的頻頻率等于地地面運動輸輸入頻率實際情況子結(jié)構(gòu)頻率率接近或等等于主結(jié)構(gòu)構(gòu)頻率時主結(jié)構(gòu)的地地震反應總總是可以得到一一定程度的的降低6.3.3吸振減震原原理6.3減震原理與與方法按照隨機振振動原理的的分析結(jié)果果R是主結(jié)構(gòu)的的振動控制制頻率參數(shù)數(shù)當R<1時，表示具具有減震效效果大量理論分分析結(jié)果表表明：主結(jié)構(gòu)的阻阻尼比越小小，吸振裝置的的減震作用用越大質(zhì)量比增加加，減震作作用增大6.3.3