《橋梁抗震課件》PPT課件

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1、古代智慧事實證明，在高烈度地震發(fā)生時，剛度高的建筑最容易發(fā)生破壞，因此，世界各國紛紛采用隔震消能技術(shù)來減小地震的破壞，其原理就是在關(guān)鍵部位設(shè)置阻尼器，消耗地震荷載，從而達(dá)到保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)不受破壞的目的。這種看似高科技的東西其實在我國數(shù)千年的古代歷史中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。西方普遍采用的磚石結(jié)構(gòu)建筑，其抗震宗旨是以剛克剛，中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑在抵抗地震沖擊力時，采用的是“以柔克剛”的思維，通過種種巧妙的措施，其目標(biāo)是以最小的代價，將強(qiáng)大的自然破壞力消耗至最小程度。我國許多古代建筑都成功地經(jīng)受過大地震的考驗，如天津薊縣獨樂寺觀音閣（梁柱接桿部位因位置和功能的不同，而使用了24種斗拱） 、山西應(yīng)縣木塔等

2、建筑，千百年來均經(jīng)歷過多次地震仍然傲然屹立。當(dāng)代建筑設(shè)計以抵御9度地震為目標(biāo)，而我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑基本上能達(dá)到這個要求，而且其代價遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于西方的“剛”， 不能不讓人嘆服“柔”的力量。 一。柔性的框架結(jié)構(gòu)：墻倒框架不倒中國的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性，如“墻倒屋不塌”的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當(dāng)?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴?fù)能力。 二。整體浮筏式基礎(chǔ)、斗栱、榫卯：隔震消能的關(guān)鍵構(gòu)件斗栱能起到“減震器”的作用，而且被各種水平構(gòu)件連接起來的斗栱群能夠形成一個整體性很強(qiáng)的“剛盤”，按照“能者多勞”的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子，大大提高了整個結(jié)構(gòu)的安全性 榫卯是極為精巧的發(fā)明

3、，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。又比如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動，增強(qiáng)了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過闌額、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強(qiáng)化了聯(lián)系，顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性；柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)頂面之間的摩擦，進(jìn)而有效地產(chǎn)生隔震作用； 古代到現(xiàn)代，中國到外國應(yīng)縣木塔為何能具有如此優(yōu)良的抗震性能？其根本原

4、因是應(yīng)縣木塔的結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的木框架結(jié)構(gòu)，其設(shè)計理念是“以柔克剛” 中國傳統(tǒng)木框架建筑以其柔對付地震的剛，中國古建筑木框架結(jié)構(gòu)其構(gòu)成部件如梁、柱、枋、斗拱等都是榫卯連接，不用釘子，形成柔性結(jié)構(gòu)體。不但可以承受較大荷載，并可允許產(chǎn)生一定的變形 此在地震荷載下，通過變形吸收一定的地震能量，地震荷載消失后能恢復(fù)原狀，因此有極強(qiáng)的抗震性能?，F(xiàn)存的比應(yīng)縣木塔還早的唐代建筑五臺山佛光寺大殿歷經(jīng)多次大地震依然完好無損，傲然屹立至今 應(yīng)縣木塔的許多抗震構(gòu)造其原理與現(xiàn)代建筑抗震理念相通或相同： 抗震研究證明建筑物的平面形狀越規(guī)整簡單越抗震，應(yīng)縣木塔平面呈八角形，達(dá)到了這個要求。 應(yīng)縣木塔底層有一圈外柱廊，每層柱子逐

5、層內(nèi)移，體形下大上小，利于穩(wěn)定，利于抗震。 應(yīng)縣木塔每層屋檐和平座下有密集的木作斗拱，皆是榫卯連接，能起到柔性“減震器”的作用。 在木塔的每一暗層中，梁、柱、枋、斗拱、斜撐被牢固的連接成一個網(wǎng)架圈，起到現(xiàn)代建筑中圈梁的作用。（抗震能力不強(qiáng)的磚石結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行抗震加固時，在外墻部位加鋼筋混凝土柱和圈梁，是抗震加固通行作法，能大大提高抗震能力。） 木塔底層有一周很厚的墻，把柱子包裹住,起到現(xiàn)代建筑中剪力墻的作用,提高抗震能力。 日本帝國飯店 1968年帝國飯店被推到了，原因是地基太淺而且設(shè)立在松散潮濕的土壤里。萊特先生的設(shè)計本意是讓建筑物在泥土里滑行就像船只在海水里漂浮一樣，從而達(dá)到抗震的目的。他的

6、原理科學(xué)無誤而開始被人采用。1981年日本使用新的建筑細(xì)則，在建筑物的地基加上一個抗沖擊墊，當(dāng)?shù)鼗S地面移動時，建筑物本身 還可以保持平衡?？磮D: 賴特的構(gòu)思基地上表土24m厚度以下是1821m的軟土，這層土壤似乎是上天的恩賜-它是減弱沖擊波的最佳減震器。那么為什么不將房屋浮在它上面呢?為什么不采取象軍艦浮在海面上那樣，以軟而薄的非常輕的結(jié)構(gòu)來取代以盡可能增加重量的辦法所取得的剛度呢?而且為什么不把房屋造成象雙手相合手心向內(nèi)手指交叉那樣來順應(yīng)運動呢，以便當(dāng)變形消失后，就可恢復(fù)到其原先的位置呢?這是一種在任何方向都可自由屈伸和反屈伸的彈性體結(jié)構(gòu)。為付么要與地震去硬拼?為什么不順著它而以智取勝呢?

7、這就是我如何抱著這些想法開始設(shè)計這座大廈的。 結(jié)構(gòu)動力方程結(jié)構(gòu)動力方程可以寫成：式中，M、K、C分別代表結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣；F(t)為作用力列陣，對于地震作用，是地面運動加速度時程；、，分別是結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度列陣。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于彈性振動狀態(tài)，恢復(fù)力項Ku為彈性；而當(dāng)結(jié)構(gòu)振動進(jìn)入彈塑性階段，則恢復(fù)力項Ku也呈非線性。為設(shè)置阻尼器附加阻尼裝置帶來的阻尼力列陣；只要處理正確，它總是會使運動 減小 能量守恒原理分解成不同振型的單自由度體系的反應(yīng)隨阻尼比的增大而減少， 其多自由度結(jié)構(gòu)相應(yīng)阻尼比也就響應(yīng)增加，反應(yīng)降低。一般地說，我們很容易通過阻尼器，使多自由度體系的整體阻尼比增加5%30% 單

8、自由度體系不同阻尼比下的動力反映 現(xiàn)代減隔震技術(shù)鎖定（Lock-up）裝置（Lock-Up Device (LUD), or Shock Transmission Unit (STU)） Lock-Up 裝置，它是一種類似速度開關(guān)的限位裝置，當(dāng)橋梁運動到某一速度時啟動。鎖定裝置兩個安置點間的相對位移。它的工作原理就像汽車上的安全帶。在慢速運動中它不限制。在急速運動中會起到制動作用。這種裝置不能耗散能量。用在大橋上的鎖定裝置，在溫度和正?；詈奢d下可以自由變形，但對于中小地震荷載、較大的風(fēng)荷載帶來的橋梁各部分間的運動和碰撞，可有效地起到減少、轉(zhuǎn)移和限制作用。 泰勒公司生產(chǎn)的680 噸大型鎖定裝置及

9、橋上的安裝 液體粘滯阻尼器 （Liquid Viscous Damper） 液體粘滯阻尼器的運動速度和阻力的關(guān)系式為： F為阻尼力；C為阻尼器的阻尼值；V為阻尼器兩端間的相對運動速度；為速度的指數(shù)。阻尼力和最大沖程這是阻尼器要設(shè)定的關(guān)鍵兩個參數(shù)。 CVF 實例武漢天興洲公鐵兩用長江大橋主橋是繼蕪湖長江大橋之后的我國又一座公鐵兩用大跨度斜拉橋，主跨為504 m，是目前世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋。由于該橋的主梁與橋塔間縱向無約束，因此地震、列車制動都會引起主梁縱向較大的振動位移和橋塔根部較大的縱向彎矩，影響該橋的正常使用和安全。對此，常規(guī)的做法是在橋塔和主梁之間沿縱向設(shè)置液體粘滯阻尼器【 引

10、用 】 天 興 洲 公 鐵 兩 用 斜 拉 橋 主 梁 縱 向 地 震 、 列 車 制動 及 行 車 移 動 荷 載 響 應(yīng) 的 混 合 控 制 秦 順 全 ， 瞿 偉 廉 ，主梁的最大縱向振動位移由控制前的1927 mm下降至控制后的242mm。顯然液體粘滯阻尼器對天興洲大橋主梁的縱向地震響應(yīng)具有很好的抑制作用。液體粘滯阻尼器是一種速度型的阻尼器，它所產(chǎn)生的控制力大小是與阻尼器本身活塞與缸體之間的相對速度的次方成正比的，它只有在主梁縱向振動速度(即阻尼器活塞與缸體間相對速度)達(dá)到一定值時才能發(fā)揮作用。由于地震作用下主梁的縱向振動速度響應(yīng)較大，因此它很適合地震作用下主梁縱向振動響應(yīng)的控制。 相

11、比之下列車制動引起的主梁的縱向振動響應(yīng)具有位移大、速度很小的特點，這就使得在需要液體粘滯阻尼器產(chǎn)生較大控制力以抑制主梁縱向振動位移的時候它卻因縱向振動速度太小而無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用，從而無法有效抑制列車制動引起的主梁的縱向振動響應(yīng)。 主梁縱向最大振動位移響應(yīng)僅由控制前的1492 mm下降至控制后的1299 mm?？梢钥闯?，液體粘滯阻尼器對天興洲大橋的縱向列車制動及行車移動荷載引起的主梁縱向振動響應(yīng)的控制作用是十分有限的。 主梁縱向地震響應(yīng)的混合控制效果為采用MR阻尼器和液體粘滯阻尼器混合控制下主梁縱向振動位移時程曲線。從圖中可以看出，采用混合控制時，天興洲大橋因地震作用引起的主梁縱向最大地震位

12、移響應(yīng)由控制前的1927mm下降至控制后的233 mm，其控制效果略優(yōu)于采用單純液體粘滯阻尼器的被動控制效果。 在列車制動和行車移動荷載作用下，天興洲大橋主梁縱向振動響應(yīng)混合控制結(jié)果。從圖中可見，天興洲大橋因列車制動和行車移動荷載所引起的主梁縱向最大振動位移響應(yīng)由控制前的1492mm下降至控制后的287 mm，控制效果明顯優(yōu)于液體粘滯阻尼器的控制效果，且保證了天興洲大橋的正常運行和安全。 2000 次循環(huán)風(fēng)荷載下的疲勞往復(fù)測試，取最大風(fēng)荷載下的最大速度。在該荷載作用下，觀察其是否漏油，并看在這 2000 次循環(huán)內(nèi)的最大出力變化是否在 15% 以內(nèi)。圖 示出江陰大橋作出的 5 萬次測試報告。 1

13、 20 圈 循 環(huán) 時 程 曲 線 49980 50000 圈 循 環(huán) 時 程 曲 線 圖 11 疲 勞 測 試 曲 線 圈以上的動力試驗曲線 蘇通大橋阻尼器鋼外筒 熔斷阻尼器 ( Fuse Damper) 常規(guī)荷載（風(fēng)、溫度、剎車、中小地震）下它像個連桿并不發(fā)生相對運動。在大風(fēng)和大地震、超過了一定荷載時，阻尼器發(fā)生作用。泰勒公司生產(chǎn)的熔斷阻尼器可以很好的實現(xiàn)這一愿望。這種阻尼器比一般的液體粘滯阻尼器多一個金屬熔斷裝置，這個熔斷裝置限制阻尼器直到受力達(dá)到一個特定值時才可以工作。在美國舊金山附近的Richmond San Rafael大橋上，泰勒公司提供了設(shè)計值為2270kN的熔斷阻尼器裝置，這

14、個裝置有一個在1250kN時斷裂的金屬保險片。如果阻尼器受到風(fēng)荷載、剎車荷載或者小的地震荷載，當(dāng)受力低于1250kN時，阻尼器兩端間并不運動；如果有地震導(dǎo)致1250kN甚至更大的荷載時，金屬保險片將斷裂，阻尼器將像一個一般的2270kN的阻尼器那樣工作。當(dāng)保險片斷裂以后，需要進(jìn)行更換，簡單地更換保險片后阻尼器可繼續(xù)使用。 限位阻尼器等 我國交通公路規(guī)劃設(shè)計院設(shè)計的世界跨度大的斜拉橋蘇通大橋為了防止預(yù)想不到的特大風(fēng)和地震可能給橋帶來的超量位移。設(shè)計要求了一種新型帶限位的阻尼器。在常規(guī)阻尼器的基礎(chǔ)上，在阻尼器運動的雙方向上加設(shè)限位彈簧。在蘇通大橋限位阻尼器最大位移超過750mm時，阻尼器進(jìn)入兩端彈簧限位階段。限位由非線性彈簧板實現(xiàn)。限位可達(dá)最大附加位移100mm， 限位力可達(dá)980噸。 (1)液 體 粘滯 阻 尼 器 (2)摩 擦 阻尼 器 (3)粘 彈 性 阻 尼器 (4)金 屬 屈 服 阻 尼 器圖1-2不 同 阻 尼 器 的 滯 回 曲 線