橋梁隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步設(shè)計(jì)

1、隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步第六章 橋梁減隔震設(shè)計(jì)第六章 橋梁減隔震設(shè)計(jì)6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展6.2 隔震的原理與方法6.3 減震的原理與方法6.4 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制初步6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展產(chǎn)生傳遞引起震源 地震波建筑物所在場(chǎng)地結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展地震位移反應(yīng)地震剪力小大小大地震內(nèi)力6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)位移過大,實(shí)踐上的困難 延性結(jié)構(gòu)體系剛性結(jié)構(gòu)體系 反應(yīng)接近地面地震運(yùn)動(dòng)一般不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞導(dǎo)致材料的浪費(fèi)柔性結(jié)構(gòu)體系 減少結(jié)構(gòu)物的剛性避免結(jié)構(gòu)與地面運(yùn) 動(dòng)發(fā)生類共振減輕地震力6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展“

2、延性結(jié)構(gòu)體系” 基本要求實(shí)現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)是工程師所追求的抗震基本目標(biāo)適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度與強(qiáng)度結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性通過塑性變形消耗地震能量 “壞而不倒”6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊卣鸾ㄖ锟赡苓M(jìn)入非彈性破壞狀態(tài) 裝修與內(nèi)部 設(shè)備破壞延性結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu) 被動(dòng)抵御地震作用作用導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失某些生命線工程損失更是難以估量延性結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用也有一定的局限性隔震、減震、制振技術(shù)6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展隔震：地震動(dòng)結(jié)構(gòu)隔離裝置隔開減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要方法基底隔震懸掛隔震6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展香港匯豐銀行（懸掛隔震）南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)

3、構(gòu)）6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展減震：地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu)(如調(diào)頻質(zhì)量TMD）耗能主要方法耗能減震沖擊減震吸振減震6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展主動(dòng)控制（狹義的制震技術(shù)）自動(dòng)控制系統(tǒng)施加控制力地震結(jié)構(gòu)減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展研究、探索并部分應(yīng)用于工程實(shí)踐的時(shí)期。隔震技術(shù)實(shí)用階段減震制振技術(shù)10 橋梁減隔震設(shè)計(jì)10.1 一般規(guī)定10.1.1 本章給出的是橋梁減隔震設(shè)計(jì)的原則。10.1.2 滿足下列條件之一的橋梁，可采用減隔震設(shè)計(jì)：（1）橋墩為剛性墩，橋梁的基本振動(dòng)周期比較短；（2）橋墩高度相差較大時(shí)；（3）橋址區(qū)的預(yù)期地面運(yùn)動(dòng)特性比較明確

4、，主要能量集中在高頻段時(shí)。6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展10.1.3 存在以下情況之一時(shí)，不宜采用減隔震設(shè)計(jì)。（1）地震作用下，場(chǎng)地可能失效；（2）下部結(jié)構(gòu)剛度小，橋梁的基本周期比較長(zhǎng)；（3）位于軟弱場(chǎng)地，延長(zhǎng)周期可能引起地基和橋梁共振；（4）支座中可能出現(xiàn)負(fù)反力。6.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展 6.2隔震原理與方法6.2.1 隔震原理隔震基底隔震懸掛隔震結(jié)構(gòu)物地面以上部分隔震層隔開限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物的傳遞固結(jié)于地基中的基礎(chǔ) 6.2隔震原理與方法6.2.1 隔震原理圖6.1 隔震原理 6.2隔震原理與方法基底隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意:(1).在滿足必要的豎向承載力的前提下，隔震裝置的水平

5、剛度應(yīng)盡可 能小，以使結(jié)構(gòu)周期盡可能遠(yuǎn)離地震動(dòng)的卓越周期范圍(2).保證隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下不致有太大的位移。 通常要求在隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底部安裝風(fēng)穩(wěn)定裝置或用阻尼器與隔 震裝置聯(lián)合構(gòu)成基底隔震系統(tǒng)。6.2.1 隔震原理 6.2隔震原理與方法6.2.2 隔震分析模型隔震建筑系統(tǒng)動(dòng)力分析模型單質(zhì)點(diǎn)模型多質(zhì)點(diǎn)模型空間分析模型 6.2隔震原理與方法6.2.2 隔震分析模型-單質(zhì)點(diǎn)模型動(dòng)力平衡方程: 結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量； 隔震層的阻尼系數(shù)和水平剛度； 上部簡(jiǎn)化剛體相對(duì)于地面的加速度、速度與位移； 地面加速度過程。上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于 隔震層的水平剛度上部結(jié)構(gòu)近似為 一個(gè)剛體單質(zhì)點(diǎn)模型 6.2隔震原理與方法6.

6、2.2 隔震分析模型多質(zhì)點(diǎn)模型隔震層簡(jiǎn)化等效粘滯阻尼比計(jì)算式為： 水平剛度為k阻尼系數(shù)為c結(jié)構(gòu)層隔震支座數(shù)量第i 個(gè)隔震支座的水平動(dòng)剛度第 i個(gè)隔震支座的 等效粘滯阻尼比。水平動(dòng)剛度計(jì)算式為:圖6.2 6.2隔震原理與方法6.2.2 隔震分析模型隔震裝置隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用有效降級(jí)采用水平向減震系數(shù)的概念反映這一特點(diǎn)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層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系水平向減震系數(shù)不宜低于0.25，且隔震結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)的總水平地震作用10.2 減隔震裝置10.2.1

7、常用的減隔震裝置分為整體型和分離型兩類。10.2.2 目前常用的整體型減隔震裝置有： （1）鉛芯橡膠支座 （2）高阻尼橡膠支座 （3）摩擦擺式減隔震支座；10.2.3 目前常用的分離型減隔震裝置有：（1）橡膠支座+金屬阻尼器（2）橡膠支座+摩擦阻尼器（3）橡膠支座+粘性材料阻尼器 6.2隔震原理與方法 6.2隔震原理與方法6.2.3 常用隔震裝置橡膠支座隔震 6.2隔震原理與方法1. 橡膠支座隔震實(shí)例南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu)）橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)）1994年1月17日，美國(guó)圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級(jí)M=6.7，直下型地震基礎(chǔ)加速度0.49g頂層加速度0.21g 加速度折減系數(shù)為1.8底層加

8、速度 0.82g，頂層加速度2.31g, 加速度放大系數(shù)為2.8橡膠支座隔震系統(tǒng)的更優(yōu)越 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震實(shí)例 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震橡膠支座鋼板疊層橡膠支座鋁芯橡膠支座石墨橡膠支座在天然橡膠中加入石墨大幅度提高橡膠支座的阻尼實(shí)際中應(yīng)用還不多 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震鋼板：限制橡膠片的橫向變形使座豎向剛度較純橡膠支座大大增加橡膠片：總厚度越小所能承受的豎向荷載越大分層橡膠支座支座內(nèi)阻尼較小，常需配合阻尼器一起使用 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震疊層橡膠支座中間鉆孔灌入鋁芯提高支座大變形時(shí)的吸能能力集隔震器與阻尼器于一身，因而可以獨(dú)立使用 6.2隔震原理與方法

9、橡膠支座隔震：水平剛度是豎向剛度的1%左右具有顯著的非線性變形特征小變形，剛度大，抗風(fēng)有利大變形，橡膠剪切剛度下降，結(jié)構(gòu)頻率降低，結(jié)構(gòu)反應(yīng)減少橡膠剪應(yīng)變超過50%以后，剛度又逐漸有所回升，起到安全閥的作用，有利于防止建筑的過量位移 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震：設(shè)計(jì)的關(guān)鍵-合理確定隔震支座承受的應(yīng)力我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：隔震層各橡膠隔震支座，考慮永久荷載和可變荷載組合的豎向平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超下表的規(guī)定。建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑平均壓應(yīng)力（Mpa）101215 橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值 注：1. 對(duì)需驗(yàn)算傾覆的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng)； 2. 對(duì)需進(jìn)行豎

10、向地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括豎向 地震作用效應(yīng)；在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震：隔震支座對(duì)應(yīng)于罕遇地震水平剪力的水平位移，應(yīng)符合下列要求： 罕遇地震作用下，第 i 個(gè)隔震支座考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移第 i個(gè)隔震支座的水平位移限值；對(duì)橡膠隔震支座，不應(yīng)超過該支座有效直徑的0.55倍和支座各橡膠層總厚度3.0倍二者的較小值罕遇地震下隔震層質(zhì)心處或不考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移第 i個(gè)隔震支座的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)，應(yīng)取考慮扭轉(zhuǎn)和不考慮扭轉(zhuǎn)時(shí) 支座計(jì)算位移的比值；當(dāng)隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層剛度中心在兩個(gè)主軸方向均無偏心時(shí)，邊支座的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)不應(yīng)小于1.1510.4.

11、2 減隔震裝置應(yīng)進(jìn)行如下驗(yàn)算：（1）對(duì)于橡膠型減隔震裝置，在E1地震作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變應(yīng)小于100%，在E2地震作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變應(yīng)小于250%，并驗(yàn)算其穩(wěn)定性；（2）非橡膠型減隔震裝置，應(yīng)根據(jù)具體的產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算；（3）應(yīng)對(duì)減隔震裝置在正常使用條件下的性能進(jìn)行驗(yàn)算。10.4.3 減隔震裝置的變形、阻尼等力學(xué)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)得到的力學(xué)參數(shù)值應(yīng)在設(shè)計(jì)值的10%以內(nèi)。 6.2隔震原理與方法橡膠支座隔震： 6.2隔震原理與方法2.常用隔震裝置-其它隔震裝置：滾珠隔震裝置已用于墨西哥城內(nèi)一座五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的學(xué)校建筑中，安放在房屋底層柱腳和地下室柱頂之間。為保證不在風(fēng)載下產(chǎn)生過大的

12、水平位移，在地下室采用了交叉鋼拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置 6.2隔震原理與方法其它隔震裝置：搖擺式隔震支座是一種搖擺隔震支座。在杯形基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)一個(gè)上下兩端有豎孔的雙圓筒搖擺體。豎孔內(nèi)穿預(yù)應(yīng)力鋼絲束并錨固在基礎(chǔ)和上部蓋板上，起到壓緊搖擺體和提供復(fù)位力的作用。在搖擺體和基礎(chǔ)壁之間填以瀝青或散粒物，可為振動(dòng)時(shí)提供阻尼。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)?shù)孛婕铀俣确颠_(dá)330cm/s2時(shí)，被隔震房屋的加速度反應(yīng)被降低到無隔震反應(yīng)的1/3左右。我國(guó)山西省的懸空寺，歷史上經(jīng)歷多次大地震而仍完整無損。分析認(rèn)為是其特有的支撐木柱起到了搖擺支座隔震的作用山西懸空寺 6.2隔震原理與方法其它隔震裝置：不倒翁式隔震伊朗人設(shè)計(jì)的不倒翁式隔震房屋。該房

13、屋頂面半徑顯著大于底面半徑，能起提供復(fù)位力的作用。 6.3減震原理與方法6.3.1 耗能減震原理地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能構(gòu)件耗能地震時(shí)，結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的能量方程為：地震過程中輸入給結(jié)構(gòu)的能量附加耗能構(gòu)件的耗能結(jié)構(gòu)主體自身的耗能能量觀點(diǎn)： 一定 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的降低 動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：耗能裝置的作用， 相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的阻尼 ， 必使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng) 6.3減震原理與方法6.3.1 耗能減震原理小震耗能裝置較大的剛度結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能應(yīng)具有結(jié)構(gòu)的使用性能保證強(qiáng)烈地震作用耗能裝置結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能非彈性狀態(tài)應(yīng)率先 進(jìn)入大量消耗地震能量有試驗(yàn)表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。 6.3減震原理與方

14、法6.3.1 耗能減震原理：耗能元件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算：耗能減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析非線性時(shí)程反應(yīng)分析方法 可以利用通常需要耗能元件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確立結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程中的阻尼矩陣耗能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比所有耗能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能 6.3減震原理與方法6.3.2 耗能減震裝置阻尼器耗能交叉支撐耗能墻 6.3減震原理與方法阻尼器與速度相關(guān)的粘彈型阻尼器以摩擦或金屬屈服為特征的位移相關(guān)型阻尼器阻尼器支撐處框架與剪力墻的連接處梁柱連接處上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接處有相對(duì)變形或相對(duì) 位移的地方安裝于6.3.2 耗能減震裝置-阻尼器 6.

15、3減震原理與方法粘彈型阻尼器最大長(zhǎng)度915mm，最小長(zhǎng)度595mm，沖程320mm6.3.2 耗能減震裝置 6.3減震原理與方法摩擦阻尼器33012.52512.51006.3.2 耗能減震裝置-阻尼器 6.3減震原理與方法各種形狀的軟鋼阻尼器（彈塑性阻尼器）6.3.2 耗能減震裝置-阻尼器 6.3減震原理與方法6.3.2 耗能減震裝置-耗能支撐 耗能交叉支撐 摩擦耗能支撐 耗能偏心支撐 耗能耦撐 屈服約束支撐 6.3減震原理與方法塑性耗能支撐耗能交叉支撐支撐交叉處通過鋼框或鋼環(huán)的塑性變形消耗地震能量 6.3減震原理與方法摩擦耗能支撐在支撐桿或節(jié)點(diǎn)板上開長(zhǎng)圓孔 6.3減震原理與方法耗能偏心支撐

16、偏心支撐框架 6.3減震原理與方法耗能隅撐耦撐框架 6.3減震原理與方法屈曲約束支撐屈曲約束支撐的基本部件 屈曲約束支撐的軸力位移關(guān)系 6.3減震原理與方法屈曲約束支撐屈曲約束支撐的一些典型截面形狀 6.3減震原理與方法周邊耗能墻摩擦耗能墻6.3.2 耗能減震裝置-耗能墻 6.3減震原理與方法6.3.3 吸振減震原理地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)附加子結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)移 6.3減震原理與方法運(yùn)動(dòng)平衡方程：-剛度-阻尼系數(shù)-主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量-附加子結(jié)構(gòu)質(zhì)量、 阻尼系數(shù)、剛度6.3.3 吸振減震原理： 6.3減震原理與方法 考慮簡(jiǎn)諧地面運(yùn)動(dòng)輸入考慮無阻尼體系的反應(yīng)特征主結(jié)構(gòu)振幅為零系統(tǒng)振動(dòng)能量集中于子結(jié)構(gòu)而主體結(jié)構(gòu)得

17、到了保護(hù)數(shù)學(xué)推導(dǎo) 地震動(dòng)含有多種頻率分量結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也必然是有阻尼系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)的頻率等于地面運(yùn)動(dòng)輸入頻率實(shí)際情況子結(jié)構(gòu)頻率接近或等于主結(jié)構(gòu)頻率時(shí) 主結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)總是可以得到一定程度的降低6.3.3 吸振減震原理 6.3減震原理與方法按照隨機(jī)振動(dòng)原理的分析結(jié)果R是主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制頻率參數(shù)當(dāng)R1時(shí)，表示具有減震效果大量理論分析結(jié)果表明：主結(jié)構(gòu)的阻尼比越小，吸振裝置的減震作用越大質(zhì)量比增加，減震作用增大6.3.3 吸振減震原理： 6.3減震原理與方法6.3.4 吸減震裝置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）通過彈簧連接于主體結(jié)構(gòu)，可安裝在高聳結(jié)構(gòu)或高層建筑的頂部調(diào)頻質(zhì)量阻尼器是包括質(zhì)量系和彈簧、阻尼系的小型振動(dòng)系統(tǒng) 6.3減震原理與方法調(diào)諧液體阻尼器（TLD）將裝水的容器置于結(jié)構(gòu)物上，結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，水的振蕩也能形成一個(gè)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)TLD時(shí)，應(yīng)盡量使水的振蕩周期接近結(jié)構(gòu)的固有周期。水的振蕩頻率公式為：水面波的波長(zhǎng)水深重力加速度6.3.4 吸減震裝置 6.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制外部能源施加控制力地震結(jié)構(gòu)減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性改變借鑒現(xiàn)代控制思想6.4.1 基本概念 6.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制主動(dòng)控制體系組成傳感器 處理器（一般為計(jì)算器） 作動(dòng)器(一般為加力裝置)測(cè)量結(jié)構(gòu)所受外部激勵(lì) 及結(jié)構(gòu)相應(yīng)傳送計(jì)算所需的控制力傳送有外部能源提供所需的 控制力 6.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制控制體系分類開環(huán)控制閉環(huán)控