淺談橋梁基底隔震

抗震是指通過一定的方法將結(jié)構(gòu)與地震源分離，以減少傳遞給結(jié)構(gòu)的地震強(qiáng)度和地震能量。在這種方法中，通過在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)位置上添加抗震器來執(zhí)行這些方法。對于橋梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)隔震器安裝在平臺底部，并將整個橋梁與基礎(chǔ)地震的地面運(yùn)動分離時，該方法被稱為基本隔震。橋梁基底隔震的一個主要問題就是怎么解決地震時隔震系統(tǒng)的隔震作用和無地震時橋梁結(jié)構(gòu)正常工作之間的關(guān)系.當(dāng)隔震系統(tǒng)的剛度太小時,若上部結(jié)構(gòu)受到其它動力荷載(如風(fēng)載等)的作用,則其相對地面的位移可能很大,影響橋梁的正常工作;當(dāng)隔震系統(tǒng)的剛度太大時,則又不能使原結(jié)構(gòu)的周期有較大的遷移,起不到隔震的目的.所以合理地設(shè)計(jì)隔震控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,正確地選擇隔震控制系統(tǒng)的參數(shù),使其既能減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),又能保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常工作就顯得非常重要.本文設(shè)計(jì)了一種大阻尼橋梁基底隔震控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由疊層橡膠隔震器和大阻尼粘彈阻尼器組合而成.疊層橡膠隔震器主要提供水平剪切剛度和復(fù)位力,大阻尼粘彈阻尼器主要提供較大的阻尼值,減小系統(tǒng)的位移.阻尼器由大阻尼粘彈阻尼材料制成,該種材料滯回曲線飽滿,阻尼大,在水平各個方向上具有良好的變形能力,在地震過程中耗能顯著,能大大的減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能.在文章的最后,對一座用大阻尼隔震控制系統(tǒng)進(jìn)行隔震的實(shí)橋進(jìn)行了地震反應(yīng)分析,通過與該橋無隔震時的地震反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較,給出了幾個結(jié)論.1平橡膠層組成結(jié)構(gòu)大阻尼隔震控制系統(tǒng)的布置及其主要部件(疊層橡膠隔震器和大阻尼粘彈阻尼器)的基本構(gòu)造形式分別如圖1、圖2和圖3所示.疊層橡膠隔震器是由一組硬化在鋼板夾層中的水平橡膠層組成,鋼板夾層是為了增加隔震器的豎向剛度和防止隔震器在剪力作用下產(chǎn)生彎曲變形,但它并不妨礙隔震器的剪切變形,由于一般橡膠材料的阻尼較小,故該隔震器對上部橋梁結(jié)構(gòu)很大的水平地震位移只有很小的抗力.大阻尼粘彈阻尼器用來對隔震控制系統(tǒng)提供較大的阻尼,減小結(jié)構(gòu)在水平方向上有較大的地震位移產(chǎn)生,在地震過程中耗散地震能量.為了防止在水平剪力作用下產(chǎn)生彎曲變形,在阻尼器的中間加入較薄的鋼板作成層狀,不過粘彈阻尼材料的層厚和疊層橡膠隔震器的層厚相比相應(yīng)的要大一些,即t2>t1.2大、抗彎壓力控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)2.1隔震層上跨機(jī)構(gòu)動力平衡方程大阻尼粘彈隔震控制系統(tǒng)的主要參數(shù)包括系統(tǒng)的剛度kT和阻尼cT,它們可以用下述Holzer方法求得.若把需要進(jìn)行隔震的橋梁結(jié)構(gòu)劃分為有n個集中質(zhì)量的離散體系,如圖4所示,考慮頂部的第1個質(zhì)量m1,其對應(yīng)于第i階模態(tài)的動力平衡方程可以用下式來表示:(k1+pic1)(φi1?φi2)+p2im1φi1=0(1)(k1+pic1)(φi1-φi2)+pi2m1φi1=0(1)其中,m1,c1,k1——第1個集中質(zhì)量對應(yīng)的質(zhì)量、阻尼和剛度φi1,φi2——第1,2個集中質(zhì)量對應(yīng)的第i階復(fù)模態(tài)的值pi——第i階復(fù)模態(tài)的頻率pi=?ξiωi+j(1?ξ2)1/2ωj=(?1)12(2)pi=-ξiωi+j(1-ξ2)1/2ωj=(-1)12(2)式中ωi——不考慮阻尼時系統(tǒng)的第i階圓頻率ξi——系統(tǒng)的第i階模態(tài)阻尼比由式(1)得:φi2=φi1+p2im1φi1k1+pic1(3)φi2=φi1+pi2m1φi1k1+pic1(3)應(yīng)用式(3)可以遞推得第n個集中質(zhì)量的動力平衡方程為p2i∑l=1nmiφil+picTφin+kTφin=0(4)pi2∑l=1nmiφil+picΤφin+kΤφin=0(4)若只考慮第一模態(tài)的影響,則pi=p1,φil=φ1l,又考慮到隔震層的剛度遠(yuǎn)小于橋墩的剛度,即kT<<kl,作為初步設(shè)計(jì),可認(rèn)為φil=φ1l=1,φ1n=1,把以上關(guān)系代入式(4)可得:p21∑l=1nml+p1cT+kT=0(5)p12∑l=1nml+p1cΤ+kΤ=0(5)把式(2)代入式(5)并分離其實(shí)部和虛部聯(lián)立求解后可得:cT=2ξ1ω1M(6)kT=ω21M(7)cΤ=2ξ1ω1Μ(6)kΤ=ω12Μ(7)其中,M=∑l=1nmlΜ=∑l=1nml為隔震層上部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量.2.2分離器參數(shù)的確定疊層橡膠隔震器的個數(shù)和剪切剛度可分別由式(8)和式(9)確定.式中WT——橋梁結(jié)構(gòu)的總重量[W]——一個疊層橡膠隔震器豎向所能承擔(dān)的最大重量G——橡膠材料的剪切彈性模量A,h——隔震器的有效剪切面積和高度2.3結(jié)構(gòu)的振動模型根據(jù)模態(tài)應(yīng)變能法,粘彈阻尼器對應(yīng)于其第i階振動模態(tài)的阻尼比為:ξi=η{φi}T[KS]{φi}2{φi}T[KT]{φi}(10)ξi=η{φi}Τ[ΚS]{φi}2{φi}Τ[ΚΤ]{φi}(10)式中η——粘彈阻尼器的耗能因子{φi}——第i階振動模態(tài)[Ks]——由于附加粘彈阻尼器而在整個振動體系中引起的剛度矩陣[KT]——整個振動體系的總剛度矩陣作為初步設(shè)計(jì),可把粘彈阻尼器上部的橋梁結(jié)構(gòu)作為剛體進(jìn)行考慮,這時結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型為單自由度模型.若橋梁上部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為M,疊層橡膠隔震器的水平剪切剛度為Kb,粘彈阻尼器的水平剪切剛度為Ks,若定義隔震控制系統(tǒng)的隔震度I=Tq/Th,式中Tq,Th分別為隔震前、后結(jié)構(gòu)的振動周期,則當(dāng)I≥3.0時,結(jié)構(gòu)的第一模態(tài)振型幾乎呈矩形狀,這時φ1=1,KT=Kb+Ks,代入式(10)整理后可以得到阻尼器的剪切剛度為Ks=2ξ1η?2ξ1Kb(11)Κs=2ξ1η-2ξ1Κb(11)2.4大阻尼隔震控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)對隔震前的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析,確定其隔震目標(biāo).(2)對大阻尼粘彈隔震控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算時初始隔震度I10的一般取值應(yīng)大于實(shí)際要求的隔震度I1.(3)對疊層橡膠隔震器進(jìn)行設(shè)計(jì).作為初步設(shè)計(jì),疊層橡膠隔震器的剛度值可近似的取為大阻尼粘彈隔震層的剛度值.(4)對粘彈阻尼器進(jìn)行設(shè)計(jì).作為初步設(shè)計(jì),粘彈阻尼器的阻尼值可近似的取為大阻尼粘彈隔震層的阻尼值.(5)采用較為精確的計(jì)算模型對大阻尼隔震控制系統(tǒng)進(jìn)行地震反應(yīng)分析,確定隔震效果是否滿足預(yù)定的目標(biāo).若隔震效果不滿足預(yù)定的目標(biāo),則需返回第1步至第4步對隔震控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),直到滿足預(yù)定的目標(biāo)為止.3圓端形預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋墩寶中線某32m簡支梁橋(梁圖號為專橋2059)3號墩為圓端形預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋墩(圖號為貳橋4067),墩高50m.基礎(chǔ)為明挖基礎(chǔ),設(shè)計(jì)地震烈度為8度.3.1隔震器力學(xué)性質(zhì)幾何尺寸根據(jù)大阻尼粘彈隔震控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方法,結(jié)合本橋的實(shí)際情況,當(dāng)采用6個疊層橡膠隔震器時,每個隔震器的力學(xué)性質(zhì)幾何尺寸如表1所示.采用4個圓截面的大阻尼粘彈阻尼器,阻尼材料為美國3M公司生產(chǎn)的粘彈阻尼材料ISD110,阻尼器的力學(xué)性質(zhì)和幾何尺寸如表2所示.當(dāng)把上述隔震控制系統(tǒng)添加到橋梁結(jié)構(gòu)的基底時,通過動力分析可以算出系統(tǒng)第一振動周期的隔震度I1=3.4,第一模態(tài)阻尼比ξ1=13.6%.3.2分加速度下的彎力和彎矩本算例對隔震前、后的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析時選用1940年5月18日發(fā)生在美國的ElCentro加速度地震記錄(南北分量)和1976年11月15日發(fā)生在我國唐山豐南M6.9級地震時在天津記錄到的天津地震加速度記錄(或稱豐南記錄).根據(jù)“鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”(GBJ11-87),當(dāng)設(shè)計(jì)地震烈度為8度時加速度最大峰值按比例調(diào)整到0.2g.隔震前、后墩頂和墩底的剪力和彎矩如表3所示.由上面的計(jì)算結(jié)果可以看出,用大阻尼粘彈隔震控制系統(tǒng)對橋梁結(jié)構(gòu)隔震之后,橋墩的內(nèi)力有很大幅度的減小.和隔震前相比,對于ElCentro譜,順橋向隔震后墩底剪力和墩底彎矩只是原先的25.0%和18.7%;橫橋向墩底剪力和墩底彎矩只是原先的22.6%和16.7%.對于天津譜,順橋向隔震后墩底剪力和墩底彎矩只是原先的18.2%和12.8%;橫橋向墩底剪力和墩底彎矩只是原先的16.5%和11.6%.4算例2:大阻尼粘彈阻尼隔震控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的效果通過上面的討論,可以得出如下幾個結(jié)論:(1)大阻尼粘彈阻尼隔震控制系統(tǒng)確實(shí)能