橋梁減隔震技術(shù)及設(shè)計計算

2011年8月橋梁減隔震技術(shù)及設(shè)計計算中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司內(nèi)容提要減隔震技術(shù)的基本概念與機理典型減隔震裝置減隔震技術(shù)的應(yīng)用常用橋型的減隔震方案TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)1.減隔震技術(shù)的基本概念與機理基本概念

通過采用減隔震裝置來盡可能地將結(jié)構(gòu)或部件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開來，從而大大減小傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量，確保結(jié)構(gòu)本身及其附屬物的安全。--有別于硬“抗”。減隔震裝置不同抗震技術(shù)的基本機理比較基本原理傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)控制降低剛度，延長周期利用塑性鉸來實現(xiàn)剛度的降低利用隔震裝置來延長周期可控制剛度增加阻尼利用塑性鉸的非彈性變形利用阻尼裝置可控制的阻尼1.減隔震技術(shù)的基本概念與機理機理

延長周期--避開共振區(qū)，減小能量輸入增加阻尼--耗散能量，減小相對變形

簡單說來：以位移變形換取小的地震作用；以適當?shù)淖枘嵯拗七^大的位移。

以往大量使用的板式支座、盆式支座等，起到傳遞上部結(jié)構(gòu)的各種荷載，適應(yīng)溫度、收縮徐變等因素產(chǎn)生的位移，但是這些支座往往難以滿足減隔震設(shè)計的要求。1.減隔震技術(shù)的基本概念與機理

隔震可以延長結(jié)構(gòu)自振周期并增大結(jié)構(gòu)阻尼，但是需要在增大位移響應(yīng)和減小剪力響應(yīng)之間找到最佳的平衡點。剪力（或加速度）和位移反應(yīng)譜4、時程分析

1.減隔震技術(shù)的基本概念與機理

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)水平剛度大頻率比ω/ωn=0.8～1.5

地震動放大系數(shù)Ra=2～3

隔震結(jié)構(gòu)水平剛度?。ㄈ嵝灾ё╊l率比ω/ωn=3～8

地震動放大系數(shù)Ra=1/2～1/81.減隔震技術(shù)的基本概念與機理

隔震設(shè)計的基本規(guī)律：

隔震裝置的水平剛度越小，則自振周期延長地越長，上部結(jié)構(gòu)的加速度（或剪力）的減小效果越好；但會增加結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)；增加結(jié)構(gòu)的阻尼，會減小上部結(jié)構(gòu)的加速度（或剪力）響應(yīng)，同時也會減小結(jié)構(gòu)的位移增加趨勢。在堅硬場地比在軟弱場地上建造的結(jié)構(gòu)的減震效果好；設(shè)計人員應(yīng)在減小上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、增加位移之間找平衡。1.減隔震技術(shù)的基本概念與機理

對橋梁減隔震裝置所提出的要求滿足正常使用荷載下剛度需求健全的傳力機能阻尼耗能穩(wěn)定的靜力和動力特性長期性能，如蠕變和耐久性等要求施工安裝和更換容易1.減隔震技術(shù)的基本概念與機理

相關(guān)規(guī)范(國內(nèi))《公路橋梁抗震設(shè)計細則》2008《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》2009《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》2009（征求意見稿）

《橡膠支座》2007(GB20688，共四部分)

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2010《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則及條文說明》2004《建筑消能阻尼器》2007

歐美日等于上世紀90年代已編制相關(guān)標準相關(guān)國際標準如ISO22762《ElastomericSeismic-protectionisolators》20051.減隔震技術(shù)的基本概念與機理2.典型的減隔震裝置置（鉛芯、高阻尼））橡膠支座2.典型的減隔震裝置置鉛芯橡膠支座實驗驗滯回曲線鉛芯橡膠支座2.典型的減隔震裝置置高阻尼橡膠支座2.典型的減隔震裝置置高阻尼橡膠支座實實驗滯回曲線高阻尼橡膠支座2.典型的減隔震裝置置摩擦擺支座產(chǎn)品靜態(tài)模型圖產(chǎn)品動態(tài)模型圖2.典型的減隔震裝置置摩擦擺支座球面：雙向隔震；；柱面：單向隔震震2.典型的減隔震裝置置摩擦擺支座4、時程分析2.典型的減隔震裝置置金屬阻尼器/支座金屬阻尼器實驗滯滯回曲線2.典型的減隔震裝置置金屬阻尼器－可單獨或與其他支座配合使用2.典型的減隔震裝置置粘滯阻尼器－可單獨或與其他支座配合使用粘滯流體阻尼器結(jié)結(jié)構(gòu)圖2.典型的減隔震裝置置粘滯阻尼器粘滯阻尼器阻尼力力曲線2.典型的減隔震裝置置智能阻尼器磁流變阻尼器構(gòu)造2.典型的減隔震裝置置磁流變阻尼器磁流變阻尼器阻尼尼力隨電壓變化曲曲線3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－鉛芯橡膠支座石家莊新津橋（1998）3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－鉛芯橡膠支座新疆布谷孜大橋(1999)3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－鉛芯橡膠支座澳門西灣大橋（2004）3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－鉛芯橡膠支座晉江大橋（2008）引橋采用鉛芯橡膠膠支座3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－鉛芯橡膠支座晉江大橋引橋（2008）3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－摩擦型支座佛山平勝大橋3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－摩擦擺支座蘇通大橋橫橋向用柱面，雙雙向用球面3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－粘滯阻尼器蘇通大橋（縱橋向限位阻尼尼器）3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－粘滯阻尼器阻尼器安裝示意圖圖3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在中國國的應(yīng)用－MR阻尼器岳陽洞庭湖大橋：：MR阻尼器MR阻尼器3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用截至止2000年(范立礎(chǔ))新西蘭(1973)有48座公路橋梁和1座鐵路橋梁采用減減隔震技術(shù)，其中中40座采用了鉛芯橡膠膠支座LRB；意大利(1974)有150多座橋梁采用減隔隔振技術(shù)；美國(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，橋梁梁減隔震設(shè)計最常常用的是橡膠支座座通常安裝在橋梁梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩墩（橋臺）之間；；大部分建成于高烈烈度區(qū)I,II,III類場地3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例中、美、日隔震房屋應(yīng)用比較中國：已建近600幢，最高19層日本：已建近4200幢，最高50層美國：已建近100幢，最高29層中、日隔震橋梁應(yīng)用比較中國：已建近25座日本：已建近1800座截至止2009年我國屬落后我國屬先進3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在地震震中的表現(xiàn)新西蘭TeTeko橋在1987年的里氏6.37級地震中經(jīng)受住考考驗（0.4g）；美國EelRiverBridge在1992的加利福尼亞地震震中（震中峰值加加速度>2g)表現(xiàn)很好，震后完完全復(fù)位；地震中所有采用減減隔震技術(shù)的建筑筑表現(xiàn)良好（美國國和日本，衰減系系數(shù)2-3）采用減隔震技術(shù)可可以增強結(jié)構(gòu)的安安全性3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用日本城市高速公路路橋－橡膠支座3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用日本城市高速公路路橋－橡膠支座3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用日本多多羅斜拉橋橋（1999）塔梁之間設(shè)置大型型橡膠支座3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用希臘里翁-安蒂里翁大橋（（2004）3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用希臘里翁-安蒂里翁大橋（（2004）主橋塔梁之間設(shè)置置粘滯阻尼器3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)在國外外的應(yīng)用希臘里翁-安蒂里翁大橋（（2004）引橋墩、梁用粘滯滯阻尼器GoldenGate–U.S.A.美國金門大橋3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例韓國Su-Joung3號橋24套速度鎖定支座F=1200kNs=±75±100mmV=25008000kN3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例3.減隔震技術(shù)在橋梁梁工程中的應(yīng)用實實例減隔震技術(shù)術(shù)在國外的的應(yīng)用日本明石海海峽大橋每座橋塔安安裝TMD抗風裝置，經(jīng)受受1995神戶地震需要思考的的問題起控制作用用的荷載和和條件－溫度度？(豎向)地震？風？？組合？－場地地條件：軟軟土地基？？確定是否有有必要采用用減隔震技技術(shù)？分析模型和和分析方法法－全橋模模型？SSI效應(yīng)？－線性/非線性時程程分析？反反應(yīng)譜？－地震波波的選用減隔震技術(shù)術(shù)方案的對對比和優(yōu)化化－提供經(jīng)經(jīng)濟、有效效和合理的的解決方案案4.常用橋型的的減隔震方方案不同方案的的減隔震效效果、費用用及可靠性性對比(鉛芯)橡膠隔震支支座：好較低很很好高阻尼橡膠膠支座：好一一般很很好摩擦擺支座座：好一一般好好鋼阻尼支座座：好較較低好好粘滯阻尼器器：非常好很很高一一般減隔震效果果費費用可可靠性性4.常用橋型的的減隔震方方案4.常用橋型的的減隔震方方案常見的橋梁梁減隔震建建議方案梁橋(<300m)梁體和橋墩之間間（設(shè)置減隔震震措施）阻尼支座（或支支座+阻尼器）拱橋（<600m,剛度大，位移小小，傳統(tǒng)減隔震震法不適合）TMD，TLD；相對變形較大大的位置如：拉索、斜撐或桁桁架下弦桿設(shè)置耗能支撐。斜拉橋(200—800m)和懸索橋(>800m)：主橋塔梁－恰恰當?shù)乃杭s約束方式豎向支撐+粘滯阻尼器；梁體和橋墩之間間，在漂浮方向向阻尼支座（或支支座+阻尼器）針對風致振動和風雨雨激振的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減減振設(shè)計未來減隔震技術(shù)術(shù)的發(fā)展方向1、考慮突發(fā)強強震、近場地震震作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)安全；2、采用輕質(zhì)高高強材料（高強強混凝土、鋼材材）結(jié)構(gòu)自重及尺寸寸減小；3、結(jié)構(gòu)減震（（振）控制：根根據(jù)結(jié)構(gòu)性能和和響應(yīng)智能調(diào)整整控制合理，有效，安安全，經(jīng)濟4.常用橋型的減隔隔震方案工程結(jié)構(gòu)減震控控制的特點及優(yōu)越性1、安全可靠，，有限減震減震控制結(jié)構(gòu)的的地震反應(yīng)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的比值為：隔震結(jié)構(gòu)8%——50%(保持彈性)耗能結(jié)構(gòu)60%——80%TMD，TLD被動控制結(jié)構(gòu)60%——80%（半）主動控制制結(jié)構(gòu)10%——50%2、節(jié)省工程造造價+5%——-20%3、適用范圍廣廣：新設(shè)計及已有結(jié)結(jié)構(gòu)加固改造橋梁、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)、重要工程結(jié)結(jié)構(gòu)；也可用于于重要儀器、設(shè)設(shè)備、環(huán)境振動動減震。4.常用橋型的減隔震震方案TMT橋梁支座產(chǎn)品已大大規(guī)模應(yīng)用于大型型項目盆式橡膠支座、球型鋼支座、速度度鎖定支座、彈塑塑性鋼阻尼減震支支座、滑板橡膠支支座、（鉛芯）橡橡膠支座、剪力卡卡榫及其他橋梁相相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)勢產(chǎn)品：速度鎖鎖定器，鋼阻尼器器、粘滯阻尼器、、橡膠隔震支座、、摩擦擺式支座擁有產(chǎn)品的自主設(shè)設(shè)計能力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)具備橋梁結(jié)構(gòu)減隔隔震方案計算分析析能力具備橋梁結(jié)構(gòu)減隔隔震方案計算分析析能力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)具備使用Midas/Civil,Sap2000和ANSYS等有限元軟件運用用非線性時程分析析法對橋梁結(jié)構(gòu)進進行減隔震方案設(shè)設(shè)計分析的能力，，歡迎合作！4、時程分析具備橋梁結(jié)構(gòu)減隔隔震方案計算分析析能力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)4、時程分析橋梁抗震設(shè)防分類類與設(shè)防標準具備橋梁結(jié)構(gòu)減隔隔震方案計算分析析能力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)橋梁減隔震設(shè)計方方法5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)力-位移測試曲線圖（（V=100mm/s）5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)首次使用FD的鐵路橋梁（新建建鐵路南廣線桂平平郁江雙線特大橋橋）分析案例單塔阻尼器布置情情況示意圖5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)郁江雙線特大橋減減隔震計算模型采用通用有限元分分析軟件ANSYS建立全橋模型。桁桁架梁單元與橋塔塔單元采用BEAM44梁單元模擬，拉索索用LINK10桿單元模擬，二期期恒載用MASS21點質(zhì)量單元模擬，，橋墩處支座用剛剛臂模擬，粘滯性性阻尼器用COMBIN37彈簧阻尼單元模擬擬。分析案例5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)主梁跨中縱向位移移最大值隨阻尼器器參數(shù)變化曲線塔梁相對位移隨阻阻尼器參數(shù)變化曲曲線分析案例塔頂縱向位移隨阻阻尼器參數(shù)變化曲曲線塔底彎矩隨阻尼器器參數(shù)變化曲線最后選定所有阻尼尼器均采用相同的的阻尼參數(shù)：阻尼系數(shù)C：2000kN/(m/s)0.2速度系數(shù)α：0.2最大阻尼力：1400KN最大行程：50mm分析案例5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)太北跨北同蒲鐵路路特大橋雙線?？透咚勹F路路特大橋，橋梁為為五跨連續(xù)梁拱橋橋結(jié)構(gòu)，全長為572m。5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例抗震方案：各個活活動墩安裝6套8000KN的速度鎖定裝置。。計算結(jié)果：彎矩和和剪力值趨于均勻勻，最大值大大降降低減震后橋梁最大彎彎矩和剪力未減震橋梁最大彎彎矩和剪力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例津薊高速跨薊運河河橋六跨連續(xù)梁橋，跨跨度為40.5m+4×54m+40.5m。其中3號墩設(shè)固定支座，，其余墩設(shè)活動支支座抗震方案：各個活活動墩安裝2套4000KN的速度鎖定支座。。計算結(jié)果：彎矩和和剪力值趨于均勻勻，最大值大大降降低減震后橋梁最大彎彎矩和剪力未減震橋梁最大彎彎矩和剪力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例固定墩墩底最大彎彎矩值由83000KN*m下降為28000KN*m5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例計算結(jié)果：彎矩和和剪力值趨于均勻勻，最大值大大降降低5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例天水經(jīng)濟開發(fā)區(qū)跨跨渭河橋五跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，，跨度為5×30m。減隔震方案：中間間四個墩采用高阻阻尼支座，兩個邊墩采用滑動動型支座。計算結(jié)果：能夠滿滿足E1和E2地震的抗震設(shè)防要要求E2地震下橋梁最大彎矩和剪剪力E1地震下減震橋梁最最大彎矩和剪力5.TMT現(xiàn)有工作基礎(chǔ)分析案例計算結(jié)果：能夠滿滿足E1和E2