減隔震技術(shù)在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

減隔震技術(shù)在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)的應(yīng)用為了減少結(jié)構(gòu)的地震影響，結(jié)構(gòu)與地面的分離一直是可靠的。上世紀(jì)六十年代以前,根據(jù)這種想法申請了很多的發(fā)明專利,但是應(yīng)用于實(shí)踐的較少。60年代,美國Kelly提出了疊層橡膠支座隔震的方法,這種方法在以后的橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。1994年的美國圣費(fèi)南爾多地震、1995年日本阪神地震中已經(jīng)證明了減隔震技術(shù)對于提高結(jié)構(gòu)抗震的能力,具有良好的減震效果。到目前為止,在世界范圍內(nèi),至少有20個國家在橋梁的抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)和抗震加固中采用了減隔震技術(shù)。與依靠增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身強(qiáng)度、變形能力來抵抗地震反應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法相比,結(jié)構(gòu)的減隔震技術(shù)無論在提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能方面還是在降低結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)方面都具有很明顯的好處。如圖1(a)所示,對于左面未采用隔震的常規(guī)結(jié)構(gòu),主要由結(jié)構(gòu)的破壞來消耗能量,很大的地震力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大的變形和裂縫。對于右面采用減隔震裝置的結(jié)構(gòu),地震力大大減小,結(jié)構(gòu)本身的變形較小,主要變形發(fā)生在隔震裝置中。圖1(b)中實(shí)線表示隔震結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)與對應(yīng)的未隔震結(jié)構(gòu)基本周期的函數(shù)關(guān)系,虛線表示未隔震結(jié)構(gòu)的同一函數(shù)關(guān)系。可以看出,隔震均使基底剪力明顯減小。所謂的減隔震技術(shù)是指通過采用減隔震裝置來盡可能的將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動或支座運(yùn)動分離開來,大大減少傳遞到結(jié)構(gòu)中的地震力和能量。隨著研究的深入,減隔震技術(shù)已不單單應(yīng)用于新建橋梁的抗震設(shè)計(jì)中并且正在廣泛的應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)中。1減隔振動原理、分類和應(yīng)用條件1.1減隔震的能量隔震的本質(zhì)和目的是將結(jié)構(gòu)與可能引起結(jié)構(gòu)破壞的地面運(yùn)動盡可能的分離開來。為了達(dá)到這個目的可以通過延長結(jié)構(gòu)的周期,避開地震的卓越周期,從而降低傳入到結(jié)構(gòu)中的地震能量.但是隨著結(jié)構(gòu)周期的延長,結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)必然隨著增加,可能會造成設(shè)計(jì)上的困難。此外,由于結(jié)構(gòu)較柔,在正常使用荷載作用下結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生有害的振動。為了控制結(jié)構(gòu)的有害振動減小結(jié)構(gòu)的變形,可以通過增加結(jié)構(gòu)阻尼來吸收一部分地震能量,減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。減隔震的基本原理可以用能量的觀點(diǎn)來理解。減隔震結(jié)構(gòu)在任意時刻的能量方程為:Ein=Eve+Ec+Ep+Ei。式中Ein為地震輸入到結(jié)構(gòu)中的總能量;Eve為結(jié)構(gòu)的動能與彈性勢能之和;Ec為結(jié)構(gòu)的自身阻尼耗能;Ep為結(jié)構(gòu)的彈塑性變形耗能;Ei為減隔震裝置的耗能。減隔震的原理可以認(rèn)為減隔震裝置比結(jié)構(gòu)率先進(jìn)入塑性階段,利用自身消耗大量的能量,從而減小結(jié)構(gòu)自身的耗能與塑性耗能,減輕結(jié)構(gòu)的損傷破壞。1.2確定組合體系的周期減隔震技術(shù)包括地基隔震、基礎(chǔ)隔震以及上部結(jié)構(gòu)的隔震。(1)地基隔震方法可分成絕緣和屏蔽兩種:絕緣是希望在地基自身中降低輸入波的方法,可以采用軟弱地基或高剛性基礎(chǔ)及利用地基逸散衰減的方法;屏蔽是在建筑物周圍挖深溝或埋入屏蔽板等,將長周期為卓越的那部分表面波隔斷,但這種方法不能屏蔽直下型輸入波。(2)基礎(chǔ)的隔震是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置,分為周期延長、能量吸收及絕緣等方法:周期延長法是采用某種裝置將整個結(jié)構(gòu)體系周期加長的方法;能量吸收是采用減震裝置以控制地震時結(jié)構(gòu)物不產(chǎn)生過大變形,并在地震結(jié)束時盡早停止振動;絕緣是采用液體浮油、磁懸浮、滑動支承、滾動軸承等裝置將地震動斷開,如能保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,這種方法是理想的隔震方法。(3)上部結(jié)構(gòu)的隔震是指在橋墩與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置,可以分為能量吸收和附加振動兩種型式:能量吸收型是在任意層設(shè)置彈塑性履歷型、粘液體或像油那樣速度比例型或摩擦型等各種阻尼器以吸收能量;附加振動體型式則是在任意層上加設(shè)振動體,構(gòu)成新的振動體系,將振動由結(jié)構(gòu)物本身向附加振動體轉(zhuǎn)移。1.3梁結(jié)構(gòu)防共振技術(shù)減隔震技術(shù)并不是適合應(yīng)用于各種情況。場地比較軟弱、不穩(wěn)定、或延長橋梁結(jié)構(gòu)周期后容易發(fā)生共振等情況,不宜使用隔震技術(shù)。因此,在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)之前需要判斷該橋是否適合采用隔震技術(shù)。經(jīng)研究表明,只要滿足下面任何一條條件,就可以嘗試采用隔震技術(shù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。(1)地震波的角度適用于能量集中于高頻的波。(2)結(jié)構(gòu)角度橋梁是高度不規(guī)則的,例如相鄰橋墩的高度顯著不同,因而可能存在對某個墩延性要求很高的情況。(3)該地點(diǎn)的視角對于給定的場地,預(yù)期地面運(yùn)動特性比較明確,具有較高的卓越頻率和在長周期范圍內(nèi)所含能量較低。2隔震裝置的應(yīng)用自上世紀(jì)70年代初期,法國、新西蘭、意大利、美國、日本等國家開始將減隔震裝置應(yīng)用于實(shí)踐。自那一時期至現(xiàn)在,各個國家對于各類的減隔震裝置和減隔震設(shè)計(jì)方法投入了大量的研究,取得了很大的成就。橋梁減隔震技術(shù)不但應(yīng)用于各類新建橋梁的抗震設(shè)計(jì)而且在對于已建橋梁的加固設(shè)計(jì)中也得到了應(yīng)用。2.1橫向擺動下的非隔震設(shè)計(jì)新西蘭的SouthRangitikeiRailBridge建成于1981年,由6跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱型空心支架梁組成,總長315m,橋墩高70m。對于這種高柔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)荷載和變形一般與基底平面處的大傾覆力矩有關(guān)。如果允許這種結(jié)構(gòu)的狹窄基礎(chǔ)發(fā)生擺動和提離,則基底彎矩被限制到為克服重力約束而產(chǎn)生提離所需要的程度,這種對基底彎矩的限制一般將可以大大降低整體結(jié)構(gòu)的地震荷載和變形。SouthRangitikeiRailBridge就是通過控制橫向擺動下的基底提離來實(shí)現(xiàn)隔震的一個例子。如圖2所示,通過橋墩墩底的交替升降,使橋墩作橫向擺動來控制傳遞到細(xì)長鋼筋混凝土H型橋墩上的地震應(yīng)力,并通過設(shè)置在兩個交替升降的橋墩墩底與大剛度支承樁的頂部之間的扭轉(zhuǎn)鋼梁阻尼器的滯回耗能來限制墩柱搖擺提升及相應(yīng)橋臺面橫向位移的范圍。因?yàn)檫@座橋的重心很高,因此非隔震設(shè)計(jì)主要為墩腳處的傾覆力矩所控制,所以搖擺提升作用對這座橋減輕地震力是非常有效的。因樁帽剛度相對較大,估計(jì)搖擺提升機(jī)構(gòu)自身的阻尼很低,所以搖擺提升過程中的滯回阻尼效果相當(dāng)顯著。2.2克勁桁架梁與主塔之間設(shè)置含粘阻尼器裝置的必要性GoldenGateBridge建于1937年,總長1966m,主跨1280m。GoldenGateBridge位于1906年舊金山地震的圣安得烈斷層以東11.31km處。以1989年10月發(fā)生的羅馬普里塔地震為契機(jī),金門大橋管理局作了一系列調(diào)查,決定要對GoldenGateBridge進(jìn)行抗震加固。為了使風(fēng)閥與伸縮縫處必要的位移量發(fā)生根本性的減少,減少加勁桁梁與主塔間產(chǎn)生的直接撞擊,決定在加勁桁梁與主塔之間設(shè)置粘性阻尼器裝置(見圖3),這也是該橋抗震加固的項(xiàng)目之一,并為今后阻尼器在橋梁抗震加固中的使用奠定了理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)。之所以選擇粘性阻尼器是因?yàn)?與其它減隔震裝置相比,粘性阻尼器具有以下幾個優(yōu)點(diǎn):(1)彈塑性阻尼器裝置、摩擦阻尼器裝置的屈服力或摩擦力是常值,且在墩最大變形時,這些值也同時達(dá)到。而粘性阻尼器裝置因其反力與速度變形成比例,因此在橋墩達(dá)到最大變形時,粘性阻尼器的阻尼力反而最小,接近于零;在橋墩變形速度最大時,粘性阻尼器阻尼力最大,而此時橋墩的變形最小,其內(nèi)力也最小,因此,粘性阻尼器并不增加橋墩的受力;(2)在溫度變形的作用下,彈塑性阻尼器裝置、摩擦阻尼器裝置要求必須在克服彈性阻尼器裝置的屈服力或摩擦力后才允許自由變形;而粘性阻尼器在蠕變變形下,產(chǎn)生抗力接近于零;(3)理想彈塑性阻尼器裝置、摩擦阻尼器裝置在震后易存在較大的殘余變形,結(jié)構(gòu)不能自動回復(fù)到原來的位置;而粘性阻尼器允許結(jié)構(gòu)在震后回復(fù)到原來的位置。粘滯阻尼器可以使加勁桁梁弦桿與主塔的應(yīng)力、塔根部的剪力與上浮力減少,不約束橋體由于溫度變化引起的變位并且吸收大量的能量。有關(guān)于附加阻尼對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響,文獻(xiàn)對于建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震附加阻尼進(jìn)行了研究,認(rèn)為,減隔震結(jié)構(gòu)為了減小由于周期的延長而導(dǎo)致的較大地震位移所附加較大的阻尼會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)增大,從而達(dá)不到設(shè)置減隔震裝置的初始目的。2.3橋梁的減隔震設(shè)計(jì)宮川大橋是日本的第一座隔震橋梁,建于1991年。3跨連續(xù)梁橋,鋼板型主梁結(jié)構(gòu),墻式墩,墩高11m,建于堅(jiān)硬場地土上,裝有鉛芯橡膠支座,支座布置見圖4。在沒有采用隔震設(shè)計(jì)時,其順橋向的基本周期為0.3s(假定所有支座均為鉸接);隔震設(shè)計(jì)后,橋梁在第一水準(zhǔn)地震作用下順橋向基本周期變?yōu)?.8s,第二水準(zhǔn)地震作用下基本周期變?yōu)?.0s,大大延長了結(jié)構(gòu)在地震作用下的基本周期,減小了地震時傳入到結(jié)構(gòu)中的能量。并通過適當(dāng)?shù)倪x擇和設(shè)置鉛芯橡膠支座,使其將37.5%和12.5%的地震總慣性力分配到各個橋墩和橋臺上。對于像宮川大橋這樣的梁式橋梁來說,由于其自身的剛度較大,將會受到較大的地震荷載。采用減隔震設(shè)計(jì)后,不但會降低整體結(jié)構(gòu)所受到的地震荷載,還可以通過調(diào)整支座的剛度、尺寸、鉛芯放置的位置,在很寬的范圍內(nèi)調(diào)整地震力的分配,使地震力盡量避開強(qiáng)度、延性能力不足的構(gòu)件,在各橋墩與橋臺之間合理的分配地震力。對于鉛芯橡膠支座等減隔震支座,龔一瓊針對不同的場地條件、不同的地震波,對各種減隔震支座對于梁式橋梁的減震效果進(jìn)行了研究:(1)對于鉛芯橡膠支座而言,對于大多數(shù)場地類型,在結(jié)構(gòu)基本周期不超過1.25s時,可以獲得滿意的隔震效果。但對于脈沖型地震波或場地較軟時,采用鉛芯橡膠支座不會獲得預(yù)期的減震效果,同時還會產(chǎn)生較大的位移;(2)對于板式橡膠支座而言,比較適用于一、二類場地,雖然減震效果不如鉛芯橡膠支座明顯,而且在基本周期較大時,結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大。但其使用簡單,與鉛芯橡膠支座相比較為經(jīng)濟(jì);(3)對于大多數(shù)場地類型,對于大多數(shù)梁橋結(jié)構(gòu),采用滑板橡膠支座可以獲得非常令人滿意的減震效果。但是對于在場地可能產(chǎn)生高頻脈沖型地震波時,采用滑板橡膠支座需要特別注意,以防止產(chǎn)生過大的支座位移或支座的就座長度不足而導(dǎo)致落梁。建議今后對滑板橡膠支座同限位裝置的組合使用多進(jìn)行研究。并且,當(dāng)墩梁采用滑板橡膠支座連接時,墩頂剪力的最大值與墩底的剪力最大值幾乎都不在同一時刻達(dá)到,也就是說,橋墩頂部與底部的運(yùn)動是不一致的,橋墩本身的振動對墩底截面的受力影響很大。因此,在進(jìn)行地震分析時,應(yīng)該注意墩梁的連接方式對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,不僅要注意墩梁的連接方式對墩底內(nèi)力及支座位移大小的影響,而且還要注意到連接方式對橋墩本身振動的影響。2.4裝置組合減隔震MortaioloBridge建成于1992年,橋長9.6km,主體結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,該橋位于厚軟泥土層形成的大片平地上,該地區(qū)屬高地震危險(xiǎn)區(qū)。該橋在所有橋墩上部安裝了彈塑性裝置,并沿縱橋向有沖擊傳遞系統(tǒng)。該橋使用的是意大利公司生產(chǎn)的兩種等效隔震系統(tǒng)(隔震裝置示意圖見圖5)。盡管這兩種隔震系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)不同,但是他們均以相同的彈塑性方式進(jìn)行反應(yīng)。利用球形支承來承受上部結(jié)構(gòu)的重量并保證橋墩與上部結(jié)構(gòu)之間的相對轉(zhuǎn)動,由大量沿環(huán)形分布的懸臂構(gòu)件的變形來提供彈塑性阻尼。對于像MortaioloBridge這種采用組合隔震裝置來進(jìn)行橋梁的減隔震設(shè)計(jì),表現(xiàn)了減隔震設(shè)計(jì)理論上的一個突破。利用兩種不同隔震原理的裝置組合來進(jìn)行橋梁減隔震設(shè)計(jì),發(fā)揮各自減隔震裝置自身的優(yōu)點(diǎn),來達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果。郭磊、李建中等針對大跨度連續(xù)梁橋其固定盆式支座在地震作用下往往會發(fā)生剪切破壞,如僅采用加強(qiáng)固定盆式支座的方法來強(qiáng)行保證其安全,將會使固定墩承受較大的地震荷載和變形。提出了將固定盆式支座改為活動盆式支座,并與彈塑性減震耗能裝置并聯(lián)使用。通過算例對這種組合減隔震裝置進(jìn)行研究表明,采用組合隔震裝置的固定墩其所受到的地震力得到了有效的減小,并使結(jié)構(gòu)的整體抗震性能得到了改善。蔣建軍、李建中等將粘滯阻尼器與板式橡膠支座相組合,研究了這種組合裝置的減震性能,并對其中的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析,認(rèn)為這種組合裝置既能顯著地減小結(jié)構(gòu)所受地震力,又能有效的控制梁體位移及墩梁相對位移。2.5結(jié)構(gòu)體系及布置Rion-AntirionBridge主橋?yàn)槎嗫缧崩瓨?采用橋面連續(xù)的漂浮體系,總長2252m,跨度為286m+560m+560m+560m+286m.;兩側(cè)引橋全長分別為392m與239m。該橋橫跨希臘科林斯海峽,地處高強(qiáng)度地震區(qū),整個結(jié)構(gòu)的抗震按最大地面加速度0.48g(重現(xiàn)期2000年)設(shè)計(jì)并考慮兩橋墩間任意方向2m的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動。由于該橋所處的地質(zhì)條件十分惡劣,研究決定該橋基礎(chǔ)采用加強(qiáng)土體的淺基礎(chǔ),該橋基礎(chǔ)和橋塔采用如圖6所示的結(jié)構(gòu)。土體由直徑為2m,厚20cm,長度25～30m的鋼管加強(qiáng),基礎(chǔ)為大型沉箱,放在可以起到隔震和控制基礎(chǔ)與地基間的相互位移的墊層上,該墊層由90cm厚的沙礫層、1.6m～2.3m厚的河卵石、50cm厚的碎石組成?；A(chǔ)與墊層之間沒有連接,可以在地震時產(chǎn)生向上及向左右的移動,但在正常使用荷載及小震作用下不會發(fā)生滑動;允許其在地震后留有不會影響未來使用的殘余位移,但對于轉(zhuǎn)動來說,要求其轉(zhuǎn)角小于0.001弧度。該橋主橋上部結(jié)構(gòu)橫橋向?yàn)闇p小動力作用下主梁的搖擺(在最強(qiáng)烈地震作用下,主塔與橋面之間可以以1.6m/s的速度產(chǎn)生約3.5m的相對位移),在橋塔與主梁之間設(shè)置了4個粘性阻尼器與1個彈性限位裝置(見圖7)。當(dāng)側(cè)向荷載不超過彈性限位裝置的設(shè)計(jì)能力時,主梁保持與下部結(jié)構(gòu)的剛性連接;當(dāng)彈性限位裝置失效時,主梁在粘性阻尼器的控制下自由擺動。引橋上部結(jié)構(gòu)的隔震裝置由提供豎向支撐并延長橫向周期的隔離器和粘性阻尼器組成(見圖8)該橋縱向采用全漂浮體系,沿縱橋向,主梁可自由消化由溫度與板塊運(yùn)動引起的位移;主橋兩端連接引橋的位置必須容納大量的梁端位移(由溫度、活載和地震力引起)。在活載作用下,縱向位移可達(dá)到2.5m。極限狀態(tài)下,有可能產(chǎn)生最大5m的運(yùn)動。因此,梁端支撐設(shè)置了高14m、能承受豎向荷載和梁體縱向位移的豎向鋼架(見圖9)。箱梁和鋼架間的連接和箱梁與塔基的連接類似,采用了支柱和2套阻尼器。橋梁兩端分別設(shè)有2個大型毛勒伸縮縫,伸縮量2×1.5m,在地震時允許其破壞。3結(jié)構(gòu)阻尼器設(shè)計(jì)減隔震技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)中,可以