《桥梁抗震课件》PPT课件

古代智慧 事实证明 在高烈度地震发生时 刚度高的建筑最容易发生破坏 因此 世界各国纷纷采用隔震消能技术来减小地震的破坏 其原理就是在关键部位设置阻尼器 消耗地震荷载 从而达到保护建筑结构不受破坏的目的 这种看似高科技的东西其实在我国数千年的古代历史中已经得到了普遍应用 西方普遍采用的砖石结构建筑 其抗震宗旨是以刚克刚 中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时 采用的是 以柔克刚 的思维 通过种种巧妙的措施 其目标是以最小的代价 将强大的自然破坏力消耗至最小程度 我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验 如天津蓟县独乐寺观音阁 梁柱接杆部位因位置和功能的不同 而使用了24种斗拱 山西应县木塔等建筑 千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立 当代建筑设计以抵御9度地震为目标 而我国传统的木结构建筑基本上能达到这个要求 而且其代价远远小于西方的 刚 不能不让人叹服 柔 的力量 一 柔性的框架结构 墙倒框架不倒 中国的传统木结构 具有框架结构的种种优越性 如 墙倒屋不塌 的功效 但其柔性的连接 又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力 二 整体浮筏式基础 斗栱 榫卯 隔震消能的关键构件 斗栱能起到 减震器 的作用 而且被各种水平构件连接起来的斗栱群能够形成一个整体性很强的 刚盘 按照 能者多劳 的原则把地震力传递给有抗震能力的柱子 大大提高了整个结构的安全性 榫卯是极为精巧的发明 不但可以承受较大的荷载 而且允许产生一定的变形 在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量 减小结构的地震响应 又比如柱子的生起 侧脚等技法降低了建筑的重心 并使整体结构重心向内倾斜 增强了结构的稳定性 柱顶 柱脚分别与阑额 地袱以及其他的结构构件连接 使柱架层形成一个闭合的构架系统 用现代术语来说 就是形成上 下圈梁 有效地制止了柱头 柱脚的移动 增强了建筑构架的整体性 梁架系统通过阑额 梁 檩 椽等诸多构件强化了联系 显著增强了结构的整体性 柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦 进而有效地产生隔震作用 古代到现代 中国到外国 应县木塔为何能具有如此优良的抗震性能 其根本原因是应县木塔的结构是传统的木框架结构 其设计理念是 以柔克刚 中国传统木框架建筑以其柔对付地震的刚 中国古建筑木框架结构其构成部件如梁 柱 枋 斗拱等都是榫卯连接 不用钉子 形成柔性结构体 不但可以承受较大荷载 并可允许产生一定的变形 此在地震荷载下 通过变形吸收一定的地震能量 地震荷载消失后能恢复原状 因此有极强的抗震性能 现存的比应县木塔还早的唐代建筑五台山佛光寺大殿历经多次大地震依然完好无损 傲然屹立至今 应县木塔的许多抗震构造其原理与现代建筑抗震理念相通或相同 抗震研究证明建筑物的平面形状越规整简单越抗震 应县木塔平面呈八角形 达到了这个要求 应县木塔底层有一圈外柱廊 每层柱子逐层内移 体形下大上小 利于稳定 利于抗震 应县木塔每层屋檐和平座下有密集的木作斗拱 皆是榫卯连接 能起到柔性 减震器 的作用 在木塔的每一暗层中 梁 柱 枋 斗拱 斜撑被牢固的连接成一个网架圈 起到现代建筑中圈梁的作用 抗震能力不强的砖石结构建筑进行抗震加固时 在外墙部位加钢筋混凝土柱和圈梁 是抗震加固通行作法 能大大提高抗震能力 木塔底层有一周很厚的墙 把柱子包裹住 起到现代建筑中剪力墙的作用 提高抗震能力 日本帝国饭店 1968年帝国饭店被推到了 原因是地基太浅而且设立在松散潮湿的土壤里 莱特先生的设计本意是让建筑物在泥土里滑行就像船只在海水里漂浮一样 从而达到抗震的目的 他的原理科学无误而开始被人采用 1981年日本使用新的建筑细则 在建筑物的地基加上一个抗冲击垫 当地基随地面移动时 建筑物本身还可以保持平衡 看图 赖特的构思 基地上表土24m厚度以下是18 21m的软土 这层土壤似乎是上天的恩赐 它是减弱冲击波的最佳减震器 那么为什么不将房屋浮在它上面呢 为什么不采取象军舰浮在海面上那样 以软而薄的非常轻的结构来取代以尽可能增加重量的办法所取得的刚度呢 而且为什么不把房屋造成象双手相合手心向内手指交叉那样来顺应运动呢 以便当变形消失后 就可恢复到其原先的位置呢 这是一种在任何方向都可自由屈伸和反屈伸的弹性体结构 为付么要与地震去硬拼 为什么不顺着它而以智取胜呢 这就是我如何抱着这些想法开始设计这座大厦的 结构动力方程 结构动力方程可以写成 式中 M K C分别代表结构的质量 刚度 阻尼矩阵 F t 为作用力列阵 对于地震作用 是地面运动加速度时程 分别是结构的位移 速度和加速度列阵 当结构处于弹性振动状态 恢复力项Ku为弹性 而当结构振动进入弹塑性阶段 则恢复力项Ku也呈非线性 为设置阻尼器附加阻尼装置带来的阻尼力列阵 只要处理正确 它总是会使运动减小 能量守恒原理 分解成不同振型的单自由度体系的反应随阻尼比的增大而减少 其多自由度结构相应阻尼比也就响应增加 反应降低 一般地说 我们很容易通过阻尼器 使多自由度体系的整体阻尼比增加5 30 单自由度体系不同阻尼比下的动力反映 现代减隔震技术 锁定 Lock up 装置 Lock UpDevice LUD orShockTransmissionUnit STU Lock Up装置 它是一种类似速度开关的限位装置 当桥梁运动到某一速度时启动 锁定装置两个安置点间的相对位移 它的工作原理就像汽车上的安全带 在慢速运动中它不限制 在急速运动中会起到制动作用 这种装置不能耗散能量 用在大桥上的锁定装置 在温度和正常活荷载下可以自由变形 但对于中小地震荷载 较大的风荷载带来的桥梁各部分间的运动和碰撞 可有效地起到减少 转移和限制作用 泰勒公司生产的680吨大型锁定装置及桥上的安装 液体粘滞阻尼器 LiquidViscousDamper 液体粘滞阻尼器的运动速度和阻力的关系式为 F为阻尼力 C为阻尼器的阻尼值 V为阻尼器两端间的相对运动速度 为速度的指数 阻尼力和最大冲程这是阻尼器要设定的关键两个参数 实例 武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥是继芜湖长江大桥之后的我国又一座公铁两用大跨度斜拉桥 主跨为504m 是目前世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥 由于该桥的主梁与桥塔间纵向无约束 因此地震 列车制动都会引起主梁纵向较大的振动位移和桥塔根部较大的纵向弯矩 影响该桥的正常使用和安全 对此 常规的做法是在桥塔和主梁之间沿纵向设置液体粘滞阻尼器 引用 天兴洲公铁两用斜拉桥主梁纵向地震 列车制动及行车移动荷载响应的混合控制 秦顺全 瞿伟廉 主梁的最大纵向振动位移由控制前的192 7mm下降至控制后的24 2mm 显然液体粘滞阻尼器对天兴洲大桥主梁的纵向地震响应具有很好的抑制作用 液体粘滞阻尼器是一种速度型的阻尼器 它所产生的控制力大小是与阻尼器本身活塞与缸体之间的相对速度的 次方成正比的 它只有在主梁纵向振动速度 即阻尼器活塞与缸体间相对速度 达到一定值时才能发挥作用 由于地震作用下主梁的纵向振动速度响应较大 因此它很适合地震作用下主梁纵向振动响应的控制 相比之下 列车制动引起的主梁的纵向振动响应具有位移大 速度很小的特点 这就使得在需要液体粘滞阻尼器产生较大控制力以抑制主梁纵向振动位移的时候它却因纵向振动速度太小而无法发挥其应有的作用 从而无法有效抑制列车制动引起的主梁的纵向振动响应 主梁纵向最大振动位移响应仅由控制前的149 2mm下降至控制后的129 9mm 可以看出 液体粘滞阻尼器对天兴洲大桥的纵向列车制动及行车移动荷载引起的主梁纵向振动响应的控制作用是十分有限的 主梁纵向地震响应的混合控制效果为采用MR阻尼器和液体粘滞阻尼器混合控制下主梁纵向振动位移时程曲线 从图中可以看出 采用混合控制时 天兴洲大桥因地震作用引起的主梁纵向最大地震位移响应由控制前的192 7mm下降至控制后的23 3mm 其控制效果略优于采用单纯液体粘滞阻尼器的被动控制效果 在列车制动和行车移动荷载作用下 天兴洲大桥主梁纵向振动响应混合控制结果 从图中可见 天兴洲大桥因列车制动和行车移动荷载所引起的主梁纵向最大振动位移响应由控制前的149 2mm下降至控制后的28 7mm 控制效果明显优于液体粘滞阻尼器的控制效果 且保证了天兴洲大桥的正常运行和安全 2000次循环风荷载下的疲劳往复测试 取最大风荷载下的最大速度 在该荷载作用下 观察其是否漏油 并看在这2000次循环内的最大出力变化是否在15 以内 图示出江阴大桥作出的5万次测试报告 圈以上的动力试验曲线 苏通大桥阻尼器钢外筒 熔断阻尼器 FuseDamper 常规荷载 风 温度 刹车 中小地震 下它像个连杆并不发生相对运动 在大风和大地震 超过了一定荷载时 阻尼器发生作用 泰勒公司生产的熔断阻尼器可以很好的实现这一愿望 这种阻尼器比一般的液体粘滞阻尼器多一个金属熔断装置 这个熔断装置限制阻尼器直到受力达到一个特定值时才可以工作 在美国旧金山附近的RichmondSanRafael大桥上 泰勒公司提供了设计值为2270kN的熔断阻尼器装置 这个装置有一个在1250kN时断裂的金属保险片 如果阻尼器受到风荷载 刹车荷载或者小的地震荷载 当受力低于1250kN时 阻尼器两端间并不运动 如果有地震导致1250kN甚至更大的荷载时 金属保险片将断裂 阻尼器将像一个一般的2270kN的阻尼器那样工作 当保险片断裂以后 需要进行更