浅析市政桥梁中的隔震设计应用

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86桥梁结构城市道桥与防洪2015年6月第6期浅析市政桥梁中的隔震设计应用陈立楠，李琪(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市100082)摘要：简要介绍了桥梁隔震技术及传统桥梁抗震设计存在的弊端。介绍了常用减隔震装置模型及原理，并详细阐述了应用新的隔震技术，即添加柔性元素，如采用粘滞阻尼器等减隔震装置对提高桥梁抗震性能的作用。关键词：桥梁；隔震设计；柔性元素中图分类号：U442．545文献标志码：A文章编号：1009—7716(2015)O6—0086—03中的安全性，大大提高了桥梁的性价比；0引言(3)可以保护桥梁下部基础，提高结构承载力桥梁设计中，梁和墩的强度、延性不够会引起和优化支座反力；桥梁震害。除此之外，一般砂土液化和地基下沉等(4)在地震时，一般桥梁有可能表现出超出弹地质现象也可以引起桥梁基础破坏，从而导致桥性设计范围的情况，减隔震装置可以有效消除这梁倒塌。在地震中，桥梁的结构形式和连接措施会种结构变形。对震害有很大影响。如果桥梁的支撑点存在激励隔震技术原理：一是提高结构柔性，延长自振不一致的问题，也会引起桥梁震害。传统的桥梁抗周期，减小其地震反应；二是增加结构能量耗散能震设计方法是增强桥梁结构的自身强度及其延性力或者阻尼，减小由于自振周期的变化带来的结(变形能力)来提高对地震力的抵制作用，增加吸构位移；三是减隔震装置必须能支撑起整个主体收地震能量的作用。虽然这种方法可以在一定程结构，保证整体在正常设计载荷下有足够的强度度上防止结构发生倒塌，但是结构振动以及产生和刚度。如图1(a)所示，增加结构自振周期，结构的损伤是不可避免的。传统方法不能从本质上提位移也相应增加，可采取图1(b)的方法，即增加结高桥梁结构的抗震性能，而且会使得成本增加，美构阻尼，抑制结构位移的增加。观度下降。新的抗震设计是采用隔震技术，运用新技术提高相关构件的弹塑性，以缓冲地面对桥梁的支反力，降低地震引起的桥梁主体结构破坏，不仅降低工程成本、简化程序，还不影响主体结构，保证桥梁观感n】。1隔震技术概述隔震技术是利用隔震装置减小或截断地震能量进入主体结构，有时和减震技术结合使用。实际上就是通过减震或者隔震装置来改变结构在地震中的振动响应特性，减少冲击能量对桥梁主体结构的输入_2J。桥梁减隔震设计有很多好处，表现在：(1)有效调整桥梁水平方向上的刚度，使竖直平面内扭力平衡，有效降低地震带来的横向作用力；周期(2)既不影响工程造价，又能保障桥梁在地震(b)位移反应谱图1结构周期反应谱收稿日期：2015—01—28市政桥梁减隔震设计技术尤其适用条件，根作者简介：陈立楠(1983一)，男，北京人，硕士，工程师，从事桥梁据已有国内外文献可以得到其必须满足的条件设计工作。 2015年6月第6期城市道桥与防洪桥梁结构87为：一是桥梁中包含刚性墩，桥梁本身自振周期式中：F为阻尼力；C为阻尼系数；为速度；为速短；二是桥梁垂向尺度不规则，比如相邻桥墩有不度指数。同高度，这就需要某个桥墩有很好的延性；三是地在实际使用中，可以根据桥梁结构的动力特性面运动特性明确，长周期内含能量较低。有的情况来选择合适的阻尼器，使其减隔震效果达到最佳。就不适合使用隔震装置，比如：基础地面不稳定，粘滞阻尼器的运行原理为：活塞和缸体之间下部结构是大柔性结构，延长周期可能引起结构存在相对运动，压力差使得黏性流体从阻尼孔中共振；支座支反力存在负值【。流过，产生阻尼力，将振动能量转化为热能，从而减少结构动力反应。相对于其它减隔震装置，其最2常用减隔震装置模型及原理大特点是：输出的阻尼力和结构内力的反应存在2．1抗震滑动摩擦支座，2的相位差，并且不产生附加刚度。所以，粘性抗震滑动摩擦支座的减震原理】：正常环境阻尼器在不改变主体结构的动力特性的情况下，下，其作用为普通固定钢支；地震环境下，如果支可以减少相应位移，同时不产生附加内力。粘滞阻座剪力大于水平设计承载力，则限制载荷剪力销尼器力学模型如图4所示。将被剪断，支座变为滑动支座，达到隔震效果；滑动过程中，支座内产生的摩擦力起到耗能作用。其滑动前后的路径符合双线性恢复力模型，如图2所示。图2中K、分别为支座滑动前后刚度，的值一般依据桥梁上部结构的控制位移来确定；q图4粘滞阻尼器力学模型为支座限位力；开始滑动时变形值一般取2ITlllfl。图4中，c为阻尼系数，K为阻尼器刚度，为抗震滑动摩擦支座原则上只适用于横向减隔震设计。只有当地震作用对审核及起控制作用时才能连接弹簧刚度。当阻尼器活塞频率小于4Hz时，连接弹簧刚度K表达式为：用于纵向减震。(1)lF(X)(剪力)式中：为结构的第一周期。。2．3lock．up装置(相对1移)简单来讲，Lock—up装置是一个速度开关。当一Q墩和梁之间的速度差没有达到Lock—up启动速度时，此装置对结构没有任何影响。在地震作用下，图2双线性恢复力模型墩和梁之间的速度差达到其启动速度时，装置立图3为抗震互动摩擦支座的力学模型，其中F即启动并锁住，这时候装置的作用相当于大刚度支座为滑动摩擦力。的连杆，墩和梁之间的节点计算由图5中的(a)变成(b)，自由墩变为固定墩，共同承担地震作用【¨。4C图3抗震滑动摩擦支座力学模型2．2粘滞阻尼器(a)(b)粘滞阻尼器一般由三部分组成，即缸体、活塞图5使用Lockup装置原理图和流体。活塞上包含阻尼孔，在缸体内可做往复运动，流体充满整个缸体，一般为硅油或者其他黏性图5中，a、b是桥梁上部结构，c是桥墩，节点流体。2为梁上的节点，4为墩顶部节点，在2和4之间粘滞阻尼器的阻尼力是速度相关幂函数，当水平安装lock—up装置。活塞的振动频率比4Hz小时，认为其刚度为零，Lock—up装置有3个主要参数，即最大冲程、阻尼力表达式为：承载力和启动速度。在正常环境下，装置不能限制C桥梁的自由变形，这样可以确定其最大冲程；启动 88桥梁结构城市道桥与防洪2015年6月第6期速度依据工程具体要求确定；承载力通过具体计性能作用。比如粘滞阻尼器的使用过程中，经常发算确定。方法为：将装置看做一个刚性连杆，对变生泄漏油的事故。再者，我国还没有形成完备全面换后的结构进行荷载作用下的内力分析，最大内的产品标准和技术规范等标准，如若不合格的隔力作为装置的设计承载力极限值。震装置引进市政桥梁设计中，会造成安全隐患。最2．4铅芯橡胶支座后，产品的耐久性和疲劳性能等特性必须要及时在普通橡胶支座中加圆柱形铅芯就构成铅芯检测，相关部门也缺乏相应机制和规范标准。所橡胶支座，如图6所示。以，相关部门规范设计标准、产品标准，以及完善基础设备检测程序和标准亟待解决。施工部门提刀高施工技术，注意细节问题，争取不留安全隐患也尤为重要【l1，l2】。／／Xmax一4结语综上，在市政桥梁设计中引入隔震设计可以(a)双线性模型(b)铅芯橡胶支座示意图大大提高桥梁在地震环境下的安全性能，不仅节图6铅芯橡胶支座约成本，而且不影响桥梁美观。但是我国目前的减铅芯橡胶支座减隔震原理为：在正常环境下，隔震技术还没有形成成熟标准，要正确学习和借铅芯和普通固支有同样的刚度；地震作用下，材料鉴国外先进桥梁隔震设计经验【”】，探索总结出符合铅容易发生过屈服，固支转为滑动支座，这时桥梁我国市政桥梁建设的隔震设计技术，更好地为城结构的自振周期得到延长，输人到上部结构的地市建设和人民安全作出贡献。震能量就大大减小。另外，铅芯还有很高的耗能能力。综上，铅芯橡胶支座在正常使用下可以限位，参考文献地震作用下有耗能和隔震作用。[1】叶爱君，胡世德，范立础．大跨度桥梁抗震设计实用方法【J]．土木工程学报，2001，34(1)：1-6．铅芯橡胶支座的设计参数为：屈服力、屈服【2]范立础，王志强．我国桥梁隔震技术的应用[J】．振动工程学报，前后结构刚度K。、K。屈服力和屈服刚度对结构振1999，12(2)：173-181．动响应影响都很大，通过调整其值大小，可以使结[3]刘治宇，王阔，苏杭．桥梁减隔震设计的粗浅认识【J】．东北公路，构达到满意的减震效果。其关系式为：20o3．26(3)：56-70．【4】徐风云．公路桥梁减震支座[J]．公路，1988(9)：19—23．KI=(18o争+1)K(2)【5]范立础，袁万城．桥梁橡胶支座减隔震性能研究【J】．同济大学学报，1989(4)：447—455．式中：为支座垂向设计承载力；／W为屈服比，[6]宋一凡．公路桥梁动力学【M]．北京：人民交通出版社，1999．反映其橡胶量和铅芯量之比。【7】陈永祁．液体粘滞阻尼器在桥梁工程上的应用和发展[A]．中国铅芯橡胶支座使用条件建议在以下情况下考公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文虑：设防烈度大于6度，桥梁整体基本自振周期集【c】，2005．短，地质条件较好。【8]李国豪．桥梁结构的稳定与振动【M】．北京：铁道出版社，1993．[9]朱东生．桥梁抗震设计中几个问题的研究[D】．成都：西南交通大3隔震设计中出现的问题学。1999．[1O】李建中，辛学中．连续粱桥减震、隔震体系非线性地震反应分析在隔震设计中，要正确分析桥梁系统的抗震[J】．地震工程与工程振动，1998，18(3)：67—73．传力路径，然后采用有效的技术装置和措施，保证[11】周福霖．隔震、消能减震和结构控制技术的发展和应用(上)[J】．隔震装置在地震时能起到缓冲耗能作用。现阶段世界地震工程，1989(4)：16—20．【12】黄艳，阎桂平，鞠彦忠．采用减隔震支座提高桥梁结构的安全性我国的隔震设计还不规范全面，而且设计和施工【J]．中国安全科学学报，2002，12(5)：71—75．经验都不足，容易在桥梁构造细节和施工措施上[13]宋智斌．粘滞消能减震技术在结构抗震加固中的应用【R】．北出现很多不科学的地方，大大影响减隔震装置的京：中国建筑科学研究院，2001．