X年公路桥梁年会-桥梁减隔震新技术及产品应用(陈彦北)

2010年08月桥梁减隔震新技术及产品应用陈彦北，博士中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司内容提要1.问题的由来2.减隔震技术的概念与机理3.典型的减隔震装置4.减隔震技术在桥梁工程中的应用5.理解与建议6.TMT现有工作基础1.问题的由来1.问题的由来1.问题的由来地震给人类带来严重的灾害①唐山地震②阪神地震③台湾地震④汶川地震我国是遭受地震灾害最严重的国家之一1556年陕西关中大地震，8级，80万1976年唐山大地震，7.2级，24万1999年台湾集集地震，7.3级，23002008年四川汶川地震，8.0级，6.9万+地震同样给世界其他国家带来严重灾害1994年美国北岭地震，6.7级，621995年日本阪神地震，7.3级，60002010年海地地震，7.3级，20万+2010年智利地震，8.8级75012341.问题的由来地震中隔震房屋和桥梁具有良好的抗震性能－隔震设计被广泛采用地震后日本修正了抗震规范、增添了减隔震设计部分1995日本神户地震1.减隔震技术的概念与机理地震中LRB隔震房屋具有良好的抗震性能2008汶川地震1.减隔震技术的概念与机理2010智利地震1.减隔震技术的概念与机理2010海地地震海地总统府1.问题的提出桥梁结构的地震破坏形式弯曲破坏剪切破坏落梁破坏支座损伤梁体局部失稳1.问题的提出震害分析日本1995阪神地震城市高架桥桥墩弯曲破坏1.问题的提出震害分析日本阪神地震桥墩剪切、弯曲破坏1.问题的提出震害分析日本阪神地震西宫大桥落梁1.问题的提出震害分析台湾1999集集地震落梁1.问题的提出震害分析日本阪神地震西宫大桥支撑节点－球支破坏1.问题的提出震害分析日本阪神地震西宫大桥支撑节点－钢铰滑轨滚轴破坏1.问题的提出震害分析日本阪神地震西宫大桥支撑节点－普通板式支座掉落1.问题的提出震害分析梁体局部失稳破坏1.问题的提出震害分析钢结构梁体局部失稳破坏1.问题的提出震害分析钢结构梁体节点局部失稳破坏1.问题的提出破坏原因分析1.地震作用强，桥梁结构薄弱:柱礅,梁体破坏超过设防烈度:日本设计0.30g,阪神0.6g2.桥梁与地面运动共振:As=(1～2)秒,Ag=(0.1～1.5)秒3.支座变形能力差4.支座无耗(消)能能力的防掉落构造措施1.问题的提出减震隔震对策1.采用传统抗震设计:”硬抗”加大断面及配筋,刚度大,地震力大(循环)仍为主流方法，但有时难以满足要求2.采用减隔震设计:”以柔克刚”延长结构基本周期,降低结构的地震相应，减少地震能量的输入，隔离和消耗地震能量1.问题的提出不同抗震技术的基本机理比较基本原理传统结构抗震设计隔震结构抗震设计结构控制降低刚度，延长周期利用塑性铰来实现刚度的降低利用隔震装置来延长周期可控制刚度增加阻尼利用塑性铰的非弹性变形阻尼装置来增加阻尼可控制的阻尼2.减隔震技术的概念与机理基本概念通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，从而大大减小传递到上部结构的地震力和能量，确保结构本身及其附属物的安全。--有别于硬“抗”。减隔震装置2.减隔震技术的概念与机理TMDTLDAMD叠层橡胶支座基础隔震螺旋弹簧支座摩擦滑动支座金属阻尼器被动控制粘弹性阻尼器摩擦阻尼器耗能装置油阻尼器调谐质量阻尼器（）调谐液体阻尼器（）结构振动控制主动支撑装置主动控制主动质量阻尼器（）主动变刚度控制系统半主动流体阻尼器半主动液压阻尼器半主动控制主动变阻尼控制系变空隙阻尼器半主动变摩擦阻尼器HMD电流变/磁流变阻尼器混合质量阻尼器（）混合控制混合基础隔震2.减隔震技术的概念与机理机理延长周期--避开共振区，减小能量输入增加阻尼比--耗散能量，减小相对变形以往大量使用的板式支座、盆式支座等，起到传递上部结构的各种荷载，适应温度、收缩徐变等因素产生的位移，但是这些支座往往难以满足减隔震设计的要求。2.减隔震技术的概念与机理隔震可以延长结构自振周期并增大结构阻尼，但要注意，不可能同时减小上部结构的剪力（或加速度）和隔震层的位移－－在增大位移响应和减小剪力响应之间找到最佳的平衡点。剪力（或加速度）和位移反应谱2.减隔震技术的概念与机理结构的响应除了与结构的自振周期和阻尼有关外，还与场地土的特性有关。从上图可以看出，场地越硬，结构的自振周期越长，地震作用降低的效果越明显。也就是说，将隔震结构建造在坚硬场地上，比较建造在软弱场地上，减震的效果要好。不同场地下地震作用反应谱2.减隔震技术的概念与机理频域分析表明，加速度衰减比(Ra＝隔震系统峰值加速度/输入地震峰值加速度)会随着阻尼比的增大而增大，即阻尼比太大反而不利于结构的隔震。不同阻尼比下加速度衰减比Ra与w/wn关系曲线传统结构隔震结构2.减隔震技术的概念与机理传统结构水平刚度大频率比ω/ωn=0.8～1.5地震动放大系数Ra=2～3隔震结构水平刚度小（柔性支座）频率比ω/ωn=3～8地震动放大系数Ra=1/2～1/8隔震结构/传统结构：理论：Ais/Afs=1/4～1/12试验：Ais/Afs=约1/8.62.减隔震技术的概念与机理隔震设计的基本规律：隔震装置的水平刚度越小，则自振周期延长地越长，上部结构的加速度（或剪力）的减小效果越好；但会增加结构的位移响应；增加结构的阻尼，会减小上部结构的加速度（或剪力）响应，同时也会减小结构的位移增加趋势。因此，增加结构的阻尼对改善隔震效果非常有利，但阻尼过大，对结构仍会有不利的影响；在坚硬场地比在软弱场地上建造的结构的减震效果好；设计人员应在弹簧强弱、阻尼大小之间找平衡，应在减小上部结构的加速度响应、增加位移之间找平衡。2.减隔震技术的概念与机理对隔震装置所提出的要求柔性支撑阻尼耗能满足正常使用荷载下刚度、屈服强度需求2.减隔震技术的概念与机理相关规范(国内)《公路桥梁抗震设计细则》2008《铁路工程抗震设计规范》2009《城市桥梁抗震设计规范》2009（征求意见稿）《叠层橡胶支座隔震技术规程》2001《建筑抗震设计规范》2001《建筑工程抗震性态设计通则及条文说明》2004《建筑消能阻尼器》2007欧美日等于上世纪90年代已编制相关标准相关国际标准如《橡胶隔震支座》20043.典型的减隔震装置铅芯橡胶支座－改进的板式橡胶支座3.典型的减隔震装置铅芯橡胶支座恢复力特性示意图铅芯橡胶支座3.典型的减隔震装置铅芯橡胶支座实验滞回曲线铅芯橡胶支座3.典型的减隔震装置高阻尼橡胶支座-替代铅芯橡胶支座3.典型的减隔震装置高阻尼橡胶支座实验滞回曲线高阻尼橡胶支座3.典型的减隔震装置摩擦摆支座－改进的聚四氟乙烯滑板支座球面：双向隔震；柱面：单向隔震3.典型的减隔震装置摩擦摆支座滞回曲线摩擦摆支座上板活塞球冠衬板下板3.典型的减隔震装置金属阻尼器－可单独或与其他支座配合使用3.典型的减隔震装置粘滞和智能阻尼器－可单独或与其他支座配合使用粘滞和磁流变阻尼器原型3.典型的减隔震装置粘滞阻尼器粘滞阻尼器剖面图3.典型的减隔震装置智能阻尼器－可单独或与其他支座配合使用磁流变阻尼器构造3.典型的减隔震装置智能阻尼器－可单独或与其他支座配合使用3.典型的减隔震装置阻尼器设置阻尼器（速度锁定器）与普通支座配合使用3.典型的减隔震装置阻尼器设置阻尼器（速度锁定器）与普通支座配合使用3.典型的减隔震装置粘滞阻尼器-40-2002040-1500-1000-500050010001500位移/mm阻尼力/kN考虑刚度不考虑刚度粘滞阻尼器阻尼力曲线-150-100-50050100150-1500-1000-500050010001500速度/(mm/s)阻尼力/N考虑刚度不考虑刚度3.典型的减隔震装置磁流变阻尼器磁流变阻尼器阻尼力随电压变化曲线-0.02-0.0100.010.02-1.5-1-0.500.511.5x106位移/m控制力/N0.0V2.0V5.0V10.0V-0.4-0.200.20.4-1.5-1-0.500.511.5x106速度/(m/s)控制力/N0.0V2.0V5.0V10.0V4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座桥梁名称建成日期备注石家庄新津桥1998国内首座公路隔震桥梁南疆布谷孜桥20009孔，各32米，国内首座铁路隔震桥梁澳门澳凼第三（西湾）大桥2004支座直径132cm；竖向承载力1300t国内首次应用隔震技术的大型桥梁西藏柳梧大桥2007宜昌大桥2007在桥墩墩顶和混凝土箱梁之间架设隔振支座，起到隔音减震的作用，减少对中华鲟听力的影响(EBP型隔振支座)西藏林芝大桥2007厦门同安湾大桥2007叶溪河大桥2007厦门杏林大桥2008广东东沙大桥2008晋江大桥引桥2008世界首座“开”字型斜拉桥；南、北引桥(1010m和1365m)采用新型四铅芯隔震支座，最大直径130cm西安咸阳国际机场专用高速公路桥梁2009广东南澳大桥在建4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座新疆布谷孜大桥(2000)4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座新疆布谷孜大桥实验(1998)4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座石家庄新津桥（2000）4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座澳门西湾大桥（2004）4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座澳门西湾大桥（2004）主桥－斜拉桥漂浮体系塔梁交界、边墩采用盆式橡胶支座4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座澳门西湾大桥（2004）引桥－连续桥（一联）梁和墩处采用LRB4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥（2008）引桥采用铅芯橡胶支座4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥（2008）引桥采用铅芯橡胶支座4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－铅芯橡胶支座晋江大桥（2008）引桥采用铅芯橡胶支座4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－摩擦摆支座桥梁名称建成日期备注苏通大桥2008最大主跨，最深基础，最高桥塔，最长拉索引桥采用FPS（横桥向用柱面，双向用球面）福厦铁路乌龙江特大桥20088000吨双曲面球形减隔震支座佛山平胜大桥上海长江大桥2009上海长江隧桥总长25.5公里，由8.95公里长的全球最大隧道和16.5公里长的世界第一公路、轨交合建斜拉桥组成。郑西铁路客运专线20104.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－摩擦摆支座苏通大桥横桥向用柱面，双向用球面4.减隔震技术在桥梁工程中的应用实例减隔震技术在中国的应用－粘滞阻尼器桥梁名称建成日期备注重庆鹅公岩大桥2000国内首次开发研制200吨的阻尼器装置洞庭湖大桥2002MR取代粘滞阻尼器（拉索阻尼器，风雨激振）上海卢浦大桥2003控制纵桥向伸缩处相对位移东海大桥2005控制纵桥向梁与塔之间的相对位移苏通大桥2008主桥塔梁共安置首创8个带限位阻尼器杭州湾大桥2008南宁大桥2009控制纵桥向伸缩处相对位移天兴州长江大桥2009粘滞阻尼器和MR阻尼器上海长江隧桥2009主塔与桥面安置350t，±60cm阻尼器4套舟山金塘大桥2009斜拉索阻尼器荆岳长江公路大桥2010南北每个索塔横梁各设4套江阴长江大桥1999（2007加固）加固工程。主梁两端伸缩缝处设置4个液体粘滞阻尼器对大桥动力位移进行控制，冲程达到±1000mm青岛海湾大桥航道桥