CN106120545A

CN106120545A - 一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法

Info

Publication number: CN106120545A
Application number: CN201610719699.6A
Authority: CN
Inventors: 杨吉忠; 陶奇; 胡连军; 冯读贝; 孟振华; 杨国静; 王丽君; 陈兆玮; 韩兆令; 郑小艳; 郑晓龙
Original assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Current assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-08-24
Also published as: CN106120545B

Abstract

一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，在无需引入外部附加质量、无需在墩体上寻找安装空间的条件下，有效消除桥墩在固有频段的有害振动，减小墩体应力及提高桥墩抗震性能。包括梁体、桥墩和设置于桥墩顶部与梁体纵向端部之间的支座系统，该方法包括如下步骤：通过数值模态分析或实验模态测试，获得桥墩在纵向和横向的自振频率f_i、等效模态质量M_i及模态刚度K_i；确定梁体的质量m_i；计算出梁体与桥墩之间的连接刚度k_i；计算出梁体与桥墩之间的连接阻尼c_i；选用具备上述连接刚度k_i和连接阻尼c_i值的支座系统，即可通过梁体作为动力吸振器来提高桥墩抗震性能。

Description

一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法

技术领域

本发明涉及桥梁抗震技术，更为具体地说，是涉及一种利用梁体提高桥墩抗震性能的方法，特别是适用于高墩大跨桥梁的抗震技术。

背景技术

桥梁抗震技术一直以来是专业设计人员关注的重点，特别是高墩大跨桥梁的抗震设计目前还没有相关的标准规范。当前，常用的桥梁抗震方法主要有两种，一种是通过增加桥墩结构自身的强度和变形能力来提高其抗震性能，即依靠墩体自身的损伤耗散地震能量，比如在墩身底部设置塑性铰等。另一种常用方法是采用减隔震支座，一方面通过剪切变形或干摩擦消耗地震能量，另一方面通过降低刚度达到延长结构振动周期的方式耗散地震能量，在桥梁工程中得到了广泛的应用。

我国西南、西北山区地形复杂，沟壑交错，大部分处于高烈度地震区，跨越这些深沟峡谷时往往采用上部结构质量相对较轻、跨度较大的高墩桥梁，针对高墩桥梁的抗震设计存在如下两个难点：一是由于高阶振型对高墩地震反应的影响较大，地震作用下在墩身可能会形成多个塑性铰区，比如在墩体的底部和中部同时出现，其位置难以事先判断，使得高墩的延性设计比较困难，同时，强震作用下，墩体一旦产生破坏或损伤，修复极其困难，修复代价也较高；二是当前应用最广的减隔震支座是通过延长结构振动周期的方式耗散地震能量，但是高墩桥梁属于中长期结构，结构本身较柔，且对变形要求严格，不宜采用这种减振方式。同时，减隔震支座在竖直方向上的减振作用较为明显，在水平面内抵抗变形的能力较弱，因此，减隔震支座在高墩桥梁抗震设计上的应用比较谨慎。

近年来，动力吸振器是发展得比较成熟的一种被动控制装置，在建筑结构上应用较多。譬如，申请号为201420319835.9的中国专利公开了一种被动式动力吸振桥墩，利用动力吸振器的原理，在铁路空心高墩桥梁中安装附加质量块，通过质量块的位移耗能。但由于安装空间有限，附加质量块相对于桥墩的质量较小，抗震性能有待提升，且这种抗震方式，必须在墩体上引入一个外部的质量块，通常质量在几十上百吨，其安装施工难度很大。

传递至桥梁建设场地的主要地震动频率在0.5-10Hz左右，而大多数桥梁态将被激起，如果能将桥墩的主要参振模态进行约束或限制，则桥墩的振动位移和应力均会得到削弱。动力吸振器就是抑制结构共振的装置，于1928年由Ormondroyd与Den Hartog提出，并在机械及土木结构中得到大量应用，也广泛应用于桥梁拉索及梁体的振动控制中。近年来，也有学者(如兰州交通大学陈兴冲教授、同济大学余钱华博士等)提出应用动力吸振器来抑制墩体在地震作用下的振动，众所周知，影响动力吸振器减振效果的主要因素就是附加质量块与结构本体之间的质量比，质量比越大，减振效果越好。但由于受墩身安装空间的限制，附加质量较小，抗震效果一直得不到提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，在无需引入外部附加质量、无需在墩体上寻找安装空间的条件下，有效消除桥墩在固有频段的有害振动，减小墩体应力及提高桥墩抗震性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，包括梁体、桥墩和设置于桥墩顶部与梁体纵向端部之间的支座系统，该方法包括如下步骤：

a、通过数值模态分析或实验模态测试，获得桥墩在纵向和横向的自振频率f_i、等效模态质量M_i及模态刚度K_i；

b、确定梁体的质量m_i；

c、通过下式计算出梁体与桥墩之间的连接刚度k_i：

k_{i} = \frac{1}{{(1 + \frac{m_{i}}{M_{i}})}^{2}} \frac{K_{i}}{M_{i}} m_{i};

d、通过下式计算出梁体与桥墩之间的连接阻尼c_i：

c_{i} = 2 m_{i} \sqrt{\frac{K_{i}}{M_{i}}} \sqrt{\frac{3 \frac{m_{i}}{M_{i}}}{8 {(1 + \frac{m_{i}}{M_{i}})}^{3}}};

e、选用具备上述连接刚度k_i和连接阻尼c_i值的支座系统，即可通过梁体作为动力吸振器来提高桥墩抗震性能。

本发明的有益效果是，通过合理设置梁体与墩体之间在水平面内的连接刚度和阻尼，便可在桥墩结构固有频率段上实现梁体的振动相位与墩体结构的振动相位相反，有效地消除墩体结构在该频段的有害振动，实现减小高墩墩顶位移、墩身弯矩和应力之目的；结构简单、易于实施，效果显著，彻底改变了过去利用塑性铰、减隔震支座和附加动力吸振器的现有抗震手段，可成为未来提高高墩桥梁抗震性能的重要手段。

附图说明

本说明书包括如下四幅附图：

图1为本发明的结构示意图。

图2为一典型汶川地震波时域图；

图3为一典型汶川地震波频域图；

图4为普通支座设置方式示意图。

图中示出构件名称及所对应的标记：梁体1，支座系统2，支座本体2a，弹簧和阻尼减振器2b，桥墩3，横向活动支座11，固定支座12，多向活动支座13，纵向活动支座14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，有必要指出的是，以下的实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整并进行具体实施，应仍属于本发明的保护范围。

参照图1，本发明一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，包括梁体1、桥墩3和设置于桥墩3顶部与梁体1纵向端部之间的支座系统2。利用梁体1具有大质量的属性，将其作为提高桥墩3抗震性能的动力吸振附加质量，通过合理设置梁体与墩体之间的纵向、横向连接刚度和阻尼，形成附加在桥墩3的动力吸振器，在地震和风载荷的作用下，便可在桥墩3的固有频率段上实现梁体1的振动相位与桥墩3的振动相位相反，有效地消除桥墩3在该频段的有害振动，实现减小墩体应力及提高桥墩抗震性能之目的。

本发明一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，包括如下步骤：

b、确定梁体的质量m_i；

c、通过下式计算出梁体与桥墩之间的连接刚度k_i：

k_{i} = \frac{1}{{(1 + \frac{m_{i}}{M_{i}})}^{2}} \frac{K_{i}}{M_{i}} m_{i};

d、通过下式计算出梁体与桥墩之间的连接阻尼c_i：

c_{i} = 2 m_{i} \sqrt{\frac{K_{i}}{M_{i}}} \sqrt{\frac{3 \frac{m_{i}}{M_{i}}}{8 {(1 + \frac{m_{i}}{M_{i}})}^{3}}};

上述步骤a中，对于尚未开始建设的桥墩，首先建立桥墩的有限元模型，进行模态分析，获得桥墩在纵向和横向的自振频率f_i及对应模态，利用等效质量法(参见文献：商霖.基于ANSYS有限元分析的模态质量计算方法.导弹与航天运载技术,2011,313(3):55-57)获得不同模态对应的参振质量，即等效模态质量M_i。对于已经建设完成的桥墩，也可以通过试验模态测试，获得桥墩的自振频率f_i、对应模态及等效模态质量M_i。

模态刚度Ki按下式计算：

K_i＝M_i(2πf_i)²。

所述支座系统2可以由固定设置在桥墩3顶部的支座本体2a构成。参照图1，所述支座系统2也可以由支座本体2a、弹簧和阻尼减振器2b构成，支座本体2a固定设置在桥墩3顶部，弹簧和阻尼减振器2b的两端分别连接支座本体2a、梁体1。

参照图4，以某50m墩高的32.6m长简支梁为例，其中桥墩采用圆端形空心桥墩，墩顶圆端截面外观尺寸为10.6m×5.4m,从墩顶至墩底长度线性增加，变化率为1:40梁体结构为双线四片式简支T梁。

对该桥梁在如图2、图3所示一典型汶川地震波作用下的3种不同抗震措施的横向抗震性能进行了对比分析。

措施1：普通桥梁支座，支座的安装示意图如图4所示，活动支座纵向、横向刚度为5×106N/m，阻尼为1×104N·s/m。

措施2：普通支座(同措施1)+墩顶附件外部动力吸振器(即专利201420319835.9所述的方法)，根据桥墩顶部安装空间估算，墩顶可用的调谐质量阻尼器(TMD)安装空间大约为10.92m³，即使采用密度更大的铸铁材料(密度为7850kg/m³)，针对第1阶横向振动模态的最大质量比为0.04，对应动力吸振器的刚度为1.9×107N/m，阻尼为3.04×105N·s/m。

措施3：本发明所述的利用梁体作为动力吸振器的方法，桥梁梁体质量为994.9t，针对第1阶横向模态的最大质量比μ为0.662，对应的梁体与墩体之间的连接刚度为7.34×107N/m，阻尼为4.67×106N·s/m。

采用上述3种抗震措施的50m高墩桥梁动力学响应最大值见表1。

表1 桥梁动力学响应最大值

	措施1	措施2	措施3
				梁体跨中位移/mm	35.5	20.7	20.1
梁体跨中加速度/m/s²	12.7	8.91	5.29
				墩顶位移/mm	32.0	17.8	12.3
墩顶加速度/m/s²	9.96	7.04	6.90
				墩底应力/MPa	3.15	1.93	1.02

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)，桥墩常用C20混凝土的极限抗拉强度为1.70MPa，即使是C30混凝土，其极限抗拉强度为2.20MPa。措施1中墩底最大应力值为3.15MPa，已远超过C30混凝土的极限抗拉强度，在该地震波作用下，易产生裂纹及破坏。措施2中墩底最大应力值为1.93MPa，也已经超过了C20混凝土的极限抗拉强度。措施3采用梁体作为动力吸振器来存储和消耗地震能量，墩底最大应力为1.02MPa，远低于C20混凝土的极限抗拉强度，同时梁体振动位移、梁体振动加速度、墩顶位移、墩顶振动加速度均得到了较大程度地减小，有效地提高了桥梁的抗震性能。

Claims

1.一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，包括梁体(1)、桥墩(3)和设置于桥墩(3)顶部与梁体(1)纵向端部之间的支座系统(2)，该方法包括如下步骤：

a、通过数值模态分析或实验模态测试，获得桥墩桥墩(3)在纵向和横向的自振频率f_i、等效模态质量M_i及模态刚度K_i；

b、确定梁体(1)的质量m_i；

c、通过下式计算出梁体(1)与桥墩(3)之间的连接刚度k_i：

d、通过下式计算出梁体(1)与桥墩(3)之间的连接阻尼c_i：

e、选用具备上述连接刚度k_i和连接阻尼c_i值的支座系统(2)，即可通过梁体(1)作为动力吸振器来提高桥墩抗震性能。

2.如权利要求1所述的一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，其特征是：所述步骤a中，模态刚度K_i按下式计算：

K_i＝M_i(2πf_i)²。

3.如权利要求1所述的一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，其特征是：所述支座系统(2)由固定设置在桥墩(3)顶部的支座本体(2a)构成。

4.如权利要求1所述的一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，其特征是：所述支座系统(2)由支座本体(2a)、弹簧和阻尼减振器(2b)构成，支座本体(2a)固定设置在桥墩(3)顶部，弹簧和阻尼减振器(2b)的两端分别连接支座本体(2a)、梁体(1)。