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桥梁建设　　1998年第1期

桥梁的减震设计与分析

李建中*　廖元裳**　王克丽

摘　要　在对桥梁减震设计原理进行分析的基础上,利用非线性水平和转动弹簧单元分别代表减、隔震支座和桥墩延性塑性铰的非线性性能,编制了桥梁减震非线性地震反应分析程序,并利用算例分析了桥梁采用减、隔震支座和利用桥墩延性抗震的减震效果。

关键词　桥梁　减震　非线性地震反应分析分类号　U442.55

1　引　言桥梁是“生命线工程”的重要组成部分,在地震发生后为了紧急救援和抗震救灾的需要,其重要性就更明显了。在地震中因为一座大中型桥梁的坍毁会造成交通完全中断,而且修复工程往往非常困难,不言而喻,这将给紧急救援工作带来困难,以至增大地震的震害程度。为了减小地震引起桥梁结构的破坏,各国学者对桥梁结构的减震进行了广泛、深入的研究。

当前,比较容易实现和有效的减震方法主要有:1)采用减、隔震支座(聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)在梁体与墩、台的联结处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应;2)利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的,即:利用桥墩的延性抗震。近20年来,国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究,美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列入了相应的条款。

本文在对桥梁减、隔震及延性抗震设计原理简单介绍的基础上,通过结构非线性地震反应分析方法,对于桥梁采用减、隔震支座和利用桥墩的延性抗震的减震效果进行了探讨。2　减震设计方法

2.1　减震设计的基本概念

桥梁结构主要是通过以下两种方式来达到减小结构的地震反应:1)增加结构的柔性以延长结构的自振周期,达到减小由于地震动所产生的地震荷载;2)增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应。图1为结构的加速度反应谱,从图中可以看出,延长结构的自振周期可以有效地减小结构的地震加速度反应,从而减小结构由于地震动所受到的地震荷

*

&**副教授,050043,石家庄铁道学院交通系**图1　加速度反应谱

图2　位移反应谱

图3　理想的力—位移滞回曲线

桥梁的减震设计与分析　李建中　廖元裳　王克丽

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较好的阻尼器。铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性,其初始剪切刚度可以达到普通叠层橡胶支座刚度的10倍以上,而其屈后刚度接近于普通叠层橡胶支座的剪切刚度。由于铅芯支座构造比较简单,能够提供较大的阻尼,可以单独作为桥梁支座使用,在新西兰、美国和日本被广泛的用于桥梁和建筑物的减、隔震。

载,但是随着结构自振周期的延长,结构的地震位移反

应也同时增加(图2)。为了减小由于延长结构自振周期而增加的结构地震位移反应,可以采用增大结构阻尼的方法,如图2所示,增加结构的阻尼,结构的位移反应能得到明显的抑制。当前增大结构阻尼最有效、最实用的方法是滞回能量耗散(可以提供高于20%的等效粘性阻尼)。图3为一理想的力—位移滞回曲线,这条曲线所包围的面积即为一周运动的能量耗散,其等效的粘性阻尼为:

Ce=

d

e2max

(1)

式中　Wd——滞回曲线所包围的面积;

　 e——结构的自振频率。2.2　采用减、隔震支座

桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结,大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响,在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。目前研究得较多的减、隔震装置主要有叠层橡胶支座、聚四氟乙烯支座、铅芯橡胶支座等。

采用聚四氟乙烯支座来隔离桥梁墩、台与上部结构,能够有效地控制传到下部结构的地震作用,从而有效地减小墩、台所受的地震力,梁式桥采用聚四氟乙烯支座时,传到桥梁墩、台的地震力最大值等于梁体与聚四氟乙烯支座之间的摩擦力。但由于聚四氟乙烯支座不具有向平衡位置的恢复力特性,使梁体与墩、台之间的相对位移很难控制,特别是当聚四氟乙烯支座滑动面与其上部结构接触面出现偶然倾斜时,其相对位移还要增加许多。

叠层橡胶支座是由橡胶板与薄钢板交替结合而成,由于薄钢板对橡胶的横向变形产生约束,使其具有非常大的竖向刚度;但在水平方向,薄钢板不影响橡胶的剪切刚度,因而保持了橡胶固有的柔韧性。研究结果表明:橡胶支座的剪切刚度并不是线性的,但其力—位移滞回曲线都是狭长的,在设计中可以用线性来代替,这表明橡胶支座主要是靠增加桥梁结构的柔性,从而延长结构的周期来达到减震的效果,但其减小桥墩、台受到地震荷载的同时,也增加了梁体与墩、台之间的相对位移,具有一定局限性。

铅芯橡胶支座(见图4)是新西兰学者在1975年发展的,它是在普通橡胶支座中部竖直地灌入铅芯而形成,利用铅芯在地震动过程中的弹塑性性能来达到耗散地震能量的效果。由于铅的屈服应力较低(约7MPa)并

图4　铅芯橡胶支座及其恢复力滞回曲线

在设计采用铅芯橡胶支座等减震、耗能支座的桥梁时,美国的1991年AASHTO桥梁规范对弹性反应谱水平地震力系数CHe进行了修正,取:

CHe=

iTB

(2)

式中:A和Si分别为加速度和地基条件系数。B为考虑减震、耗能支座增加 …… 此处隐藏：4230字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……