20140326-桥梁减隔震技术介绍及实例分析New

桥梁减隔震技术介绍及实例分析,技术交流会主讲人：刘战时间：2014.3.26,一、技术背景资料,中国地震主要分布在五个区域：台湾地区西南地区西北地区华北地区东南沿海地区23条地震带,中国地震（带）和火山分布图,我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是一个强震多发的国家。我国地震的特点是发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡大、灾害比较严重，几乎所有的省、市、自治区都发生过6级以上的破坏性地震。,我国有41%的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区，6度及6度以上地区占国土面积的79%。,1976年唐山大地震7.8级24.2万人死亡重伤16.4万人直接经济损失54亿元,（原唐山市历史上无大地震，烈度从6度震中实际11度；天津市烈度为8度，北京市烈度为6度),2008年汶川大地震8.0级（11度）87150人死亡（含失踪）受伤374643人直接经济损失8452亿元,地震发生的“不确定性”；多次破坏性大地震发生在低烈度区；设计标准低，导致结构破坏严重。,因此，提高工程结构的抗震安全性，既要满足“按烈度设防”，也要防御突发性的超烈度大地震。,引发思考：,中国地震动峰值加速度区划图（GB183062001）,2008年汶川大地震后，对四川、甘肃、陕西部分地区的地震动峰值加速度进行了调整。,2008年512汶川大地震后，交通运输部颁布了公路桥梁抗震设计细则（JTG/TB02-01-2008）和公路工程抗震规范（JTGB02-2013），2011年住房和城乡建设部颁布了城市桥梁抗震设计规范（CJJ1662011），为桥梁结构抗震理论及方法提供了指导依据，明确要求加强抗震设计。,减轻桥梁地震震害的两种方法:,加大断面尺寸及配筋率刚度大、地震力大(循环)；,方法一：传统抗震设计“硬抗”,支撑体系：1个固定支座+若干滑动支座；结构受力不均。设置固定支座的固定墩承受较大的水平力和塑性变形，强震下易发生剪切破坏，墩底形成塑性铰后难以准确分析，且震后较难修复。,原理：隔离上下部结构地震作用延长结构基本周期增加阻尼、滞回耗能水平力分散,方法二：减隔震设计“以柔克刚”,效果：降低地震力耗散地震能量全桥协同抗震,前提：可靠的连接良好的力学性能满足较大的水平位移,式中，Ci为重要性系数，Cs为场地系数，Cd为阻尼调整系数，A为设计基本地震动加速度峰值。,减轻桥梁地震震害的两种方法:,隔震与非隔震结构对比,隔震设计原理示意,隔震支座水平剪切性能曲线,根据梁式桥地震变形主要集中在支座位置的结构特性，且支座起到了“承上启下”的作用，桥梁减隔震设计的关键就是选用合理、可靠的减隔震装置即：结构的大部分耗能、塑性变形集中于这些装置，允许这些装置在E2地震作用下发生较大的塑性变形和存在一定的残余位移，而其他构件的响应基本成为弹性变形或有限塑性变形。,二、桥梁病害、震害及对策,桥梁工程是生命线系统工程的关键组成部分，在正常运营和抗震救灾工作中，均发挥着极其重要的作用。一旦桥梁结构在正常运营或地震状态下受到严重损伤或倒塌，造成交通运输中断，将导致国民生命和经济财产的更大损失。,桥涵破坏形式,上部结构破坏,支撑连接件破坏,落梁、梁体移位、梁体开裂,支座剪断、伸缩缝变形、防震挡块开裂,下部结构破坏,桥梁基础破坏,混凝土保护层剥落、桥墩开裂、桥墩剪断、桥墩倒塌,地震断层及地基液化造成基础破坏、基础开裂,桥涵破坏形式：,支座、伸缩缝等支承连接件在桥梁工程造价中所占比重很小，因而往往未能引起工程技术人员的足够重视，一般被当成附属构件来对待，未能仔细设计研究，有时反而成为桥梁结构中的薄弱环节。,二、桥梁病害、震害及对策,汶川地震庙子坪岷江大桥第9跨引桥落梁震害,地震震害,板式橡胶支座主要病害：橡胶老化开裂、支座剪切变形过大、支座安装位置偏离、四氟板脱落、支座脱空等。,盆式支座主要病害：吊装件未拆除、锚固螺栓未紧固、锚固螺栓缺失、锚固螺母被剪断或被剪变形、橡胶密封圈老化或被挤出及支座脱空、预埋锚栓孔未压浇注混凝土等。,支撑连接件病害,球型支座主要病害：过早拆除了支座的连接构件，支座转角超过设计值等。,伸缩装置主要病害：胶带脱落、支承横梁、中梁压断、混凝土损坏、闭合间隙过小或过大等。,这些现象给行车安全和桥梁的安全运营造成了直接的危害。,支座脱空,支座剪切变形超限（设计位移不足）,支撑连接件病害,支座开裂（掺有再生橡胶）,支座垫石不平造成支座内钢板变形,支座严重锈蚀,支座设计位移不足,支撑连接件病害,橡胶密封圈老化,支撑连接件病害,支座连接螺栓未拆除,横梁压断、中梁损坏,支撑连接件病害,支座劈裂,支座撕裂,支座滑出,支撑连接件震害,挡块破坏,支撑连接件震害,挡块破坏,伸缩缝、护栏受地震影响挤压变形破坏,工程实例：西安六村堡立交北辅道桥在此次地震中附属构件均有破坏，我们对本桥进行了详细的病害调研并作出了相关建议处置方案。,2013年07月22日07时45分在甘肃省定西市岷县、漳县交界（北纬34.5度，东经104.2度）发生6.6级地震，震源深度20千米。西安有强烈震感，吊灯摆动明显。,二、桥梁病害、震害及对策,盖梁挡块严重破损,支座向外滑移丧失使用功能,二、桥梁病害、震害及对策,支座上垫石破损、限位块脱落,支座偏位,盖梁杂物堵塞,支座限位块脱落,二、桥梁病害、震害及对策,伸缩缝橡胶破损,伸缩缝堵塞、缝宽变大,二、桥梁病害、震害及对策,拉索式防落梁装置,1、上部落梁、梁体移位的启示,对策：足够的搭接（支撑连接）长度；合理设计防落梁措施和限位装置（挡块、支座、锚栓、链条及连接装置等）；,2、支撑连接件破坏的启示,对策：桥梁支座应具有足够的强度，并与梁、墩（台）之间有效连接，且能够满足较大的水平位移；选用并合理设计伸缩缝，伸缩装置应能适应较大的（多向）变位；挡块应具有一定的强度，同时设置合理的间隙和缓冲橡胶垫等。,三、抗震验算及支座设置原则,依据公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008)，验算主要内容：墩柱抗震验算桩基抗震验算支撑连接件抗震验算,抗震验算主要内容：,支座验算：,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004规定：对于板式橡胶支座，正常使用状态下支座剪切角正切值：当不计制动力时，tan0.5；当计入制动力时，tan0.7。,据此来决定对于一个桥梁是否需要设置滑动支座。,支座验算：,公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008)和城市桥梁抗震设计规范(CJJ166-2011)对普通板式橡胶支座和盆式支座抗震验算的规定：,橡胶支座,支座厚度验算变形,抗滑稳定性验算,盆式支座,活动盆式支座：,固定盆式支座：,（活动支座容许滑动水平位移）,（固定支座容许承受的水平力）,公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008)对减隔震装置验算的规定：1、对于橡胶型减隔震装置，在E1地震作用下产生的剪切应变应小于100%，在E2地震作用下产生的剪切应变应小于250%，并验算其稳定性；2、非橡胶型减隔震装置，应根据具体的产品指标进行验算；3、应对减隔震装置在正常使用条件下的性能进行验算。,支座验算：,城市桥梁抗震设计规范(CJJ166-2011)对减隔震装置验算的规定：1、对于橡胶型减隔震支座，E2地震作用下产生的剪切应变必须在250%以下，并应校核其稳定性；2、非橡胶型减隔震装置，应根据具体的产品性能指标进行验算。,减隔震设计时，支座设置注意事项：,表示固定型支座,简支梁支座布置示例,表示滑动型支座,连续梁支座布置示例,1、支座布置时，应检算支座的竖向承载、水平承载、活动位移、转角是否满足正常使用和地震状态下的要求。,2、连续梁单联长度不宜超过200m，跨数不宜超过6跨。若需要超过6跨时，应检算次边墩处固定型支座的位移量是否满足位移需求，再根据计算情况增设滑动型支座或进行定制设计。若跨数为1跨或2跨时，全联宜全部采用固定支座。,3、减隔震设计通过支座的滞回耗能来降低地震力，故对支座的位移量要求相对较高，尤其是滑动支座应具有一定滑动位移量，支座中心线距离梁端的距离应相应调整。,4、应注意核查梁底预埋钢板中心外露值是否满足调平的要求，并据此确定是否需增设梁底楔形块或其他相关措施。,支座设置注意事项：,5、考虑到地震作用的不可测性及其它不良影响（如梁体纵、横向位移增大导致伸缩缝破坏等），建议做好抗震设防的配套构造处理措施，同时将伸缩缝的位移量提高1.21.35倍，以增强桥梁结构对地震反应的适应能力。,6、为确保隔震支座与主梁、墩台连接可靠，且方便支座后期养护和更换，设计宜采用锚栓连接方式，为避免锚栓与盖梁骨架钢筋干扰，垫石高度相对较高。,7、预埋钢板、套筒、锚杆和锚固螺栓属于支座预埋件，施工时应提前预埋，设计及预算时应单独计量。,8、支座选型时，应当考虑其与桥梁结构的配套适应性，并应满足实际桥梁结构的空间位置要求；此外，预埋钢板、套筒和锚杆等配套附属件的设计选取应当安全、适用、经济、合理，应避免与结构受力钢筋相干扰或冲突，如有必要应当进行定制优化设计。,四、防减灾研究及相关成果,“地震”的惨痛教训减隔震技术发展拐点：,传统的“硬抗”设计减震、隔震设计,桥梁抗震及减隔震技术快速发展：,桥梁减隔震设计的理念迅速被桥梁设计人员接受从事桥梁减隔震技术研究的人员数量快速增长新的减隔震装置不断被研发和应用减隔震技术的应用领域不断扩展整个减隔震技术的技术体系正在全面完善从事桥梁减隔震构件生产的企业数量爆发式增长,抗震理念的转变,拐点,我院近年来在桥梁防减灾领域先后承担了多项国家、省部级科研项目，基于研发在支座附属构件领域形成6大系列成果，涉及几乎所有桥型。,桥梁防减灾领域科研项目一览表（主要）,桥梁附属构件产品标准（主编或参编）,桥梁抗震技术标准化研究硕果累累,抗震盆式支座：如JPZ盆支、GPZ盆支；,抗震球型支座：如JQZ球支、QZ球支；,常用的抗震装置体系：,多级水平力支座：,JPZ多级水平力盆式支座（JT/T872-2013）,JQZ多级水平力球型支座（JT/T873-2013）,结构新颖、性能优异独特水平承载和活动变位设计，转动和滑动性能优异材质优良、环保耐用热轧钢板和改性聚四氟乙烯设计，抗压和耐磨性能好经济适用、维养简单多级水平传力和有效连接设计，经济好，适用性强。,橡胶阻尼类减震体系：如天然橡胶支座、高阻尼隔震橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座；,滑动摩擦体系：如聚四氟乙烯滑板支座、回弹滑动支座和摩擦摆支座。,弹塑性钢阻尼体系：如C形钢耗能装置、E形钢耗能装置和非线性阻尼辐耗能装置；,常用的减隔震装置体系：,隔震橡胶支座：,LNR水平力分散型橡胶支座,HDR高阻尼隔震橡胶支座,滞回实验,以柔克刚、减灾防灾阻尼效果好，大位移剪切变形和复位能力强，基本无残余变形改善受力、经济环保不同抗震需求设计，有效改善桥梁地震下受力，降低工程总造价使用耐久、维养方便质量控制严格，材料优良，稳定可靠，耐久性好，安装更换方便。,铅芯橡胶支座(LRB),大吨位减隔震支座：,FFPB摩擦摆式减隔震球型支座,NDQZ弹塑性钢减震球型支座（JT/T843-2012）,利用弹塑性钢变形和摩擦耗能，延长结构基本周期，用纯机械的方式实现位移锁定，集合支座、阻尼器和防落梁功能于一体，多级设防和逐级耗能。,利用钟摆原理动势能转化和摩擦耗能，延长结构基本周期，从而达到减少地震力和耗散地震能力的目的。,结构独特、多级设计弹塑性钢（摩擦摆动）耗能和有限位移锁定设计，多级设防、逐级耗能。材料优质、性能优异优质钢和滑板材料设计，阻尼比高，滞回能力强，耐久性好。模块设计、安装简易结构模块化设计，大震后仅需更换耗能部件，安装维养方便。,Midas软件模拟-盆支、球支,用midas进行抗震分析时，活动盆支可用双线性理想弹塑性弹簧单元模拟,LNR滞回实验曲线,板式橡胶支座采用线性弹簧单元模拟，剪切刚度：,Midas软件模拟-LNR、普通板支,Gd动剪切模量，一般取1200KN/m2Ar橡胶支座的剪切面积（m2）t橡胶层的总厚度（m）,Midas软件模拟-HDR、铅芯支座,支座双线性恢复力力学模型,高阻尼、铅芯隔震橡胶支座可简化为双线性恢复力力学模型,Midas软件模拟-NDQZ,NDQZ支座水平活动方向力学模型,+,NDQZ的三折线模型可由midas中非弹性铰中来实现,五、桥梁抗震计算案例,1、桥梁结构的抗震分析可采用反应谱法、动力时程法和功率谱法等。在减隔震设计阶段，对于复杂桥型、采用比较特殊减隔震装置的桥梁、结构动力特性比较复杂的桥梁，建议采用非线性动力时程分析方法。,2、减隔震桥梁的计算模型应正确反映减隔震装置的力学特性。当采用反应谱分析方法时，按等效水平刚度和等效阻尼比进行模拟；当采用非线性动力时程分析方法时，按等效双线性恢复力模型模拟。,HDR支座双线性恢复力力学模型,LNR滑动支座双线性恢复力力学模型,高阻尼（HDR）隔震桥梁计算案例,五、桥梁抗震计算案例,宁夏某(520)m先简支后连续预应力混凝土箱梁桥，全长107.571m。桥梁采用双幅桥进行设计，单幅桥宽12m，桥面净宽11m。单幅桥由4片预制箱梁组成，梁高1.2m，梁距2.9m。桥面铺装采用10cm厚C50混凝土现浇层+10cm厚沥青混凝土铺装。荷载等级为公路-级，地震动峰值加速度为0.30g，8度地震区，B类桥梁9度设防。,桩柱尺寸表,五、桥梁抗震计算案例,桥型布置图,五、桥梁抗震计算案例,采用有限元分析软件Midas建立(520)m先简支后连续预应力混凝土预制箱梁桥的全桥空间有限元模型，主梁和桥墩均采用三维梁单元，横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量，并建立桩基模型。桥梁地震动力分析有限元模型如下图所示。,桥梁地震动力分析有限元模型,为验证本减隔震体系桥梁设计方案的有效性，采用非线性动力时程法进行了减隔震动力分析。,三种支座状态的减隔震效果对比,桥梁减隔震动力分析,地震动加速度时程数据,分别对设置不同类型支座进行地震动力时程分析,非线性动力时程分析法,五、桥梁抗震计算案例,支座布置方案,五、桥梁抗震计算案例,根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）、公路桥梁抗震设计细则（JTG/TB02-01-2008）以及工程场地地震安全性评价报告，本项目桥梁属于B类桥梁，地震动峰值加速度为0.30g，地震基本烈度为度，反应谱特征周期0.45s，场地系数1.0（按类场地土计算）。依据公路桥梁抗震设计细则（JTG/TB02-01-2008），根据本项目地震烈度和场地土类别，采用和场址场地土条件相近的天然地震波，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波（B类桥梁E1地震下抗震重要性系数取0.5、E2地震下抗震重要性系数取1.7）。,地震动输入,E1水平地震动加速度时程（重要性系数0.5）,E1地震动加速度反应谱与规范设计加速度反应谱拟合,E2水平地震动加速度时程（重要性系数1.7）,E2地震动加速度反应谱与规范设计加速度反应谱拟合,五、桥梁抗震计算案例,B类桥梁工程抗震设防性能目标,E1地震作用下，（经抗震设计后）所有构件保持弹性，震后无需修复即可通车；E2地震作用下，桥梁不倒，桥墩进入延性，支座进入非线性，桥梁经简单修复可继续使用。,五、桥梁抗震计算案例,根据公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01)第6.3.7条规定：板式橡胶支座可用线性弹簧单元模拟；活动支座可用双线性理想弹塑性弹簧单元模拟。根据城市桥梁抗震设计规范(CJJ166-2011)第9.3条规定：弹塑性和摩擦类减隔震支座的恢复力模型可采用双线性模型。,HDR支座双线性恢复力力学模型,LNR滑动支座双线性恢复力力学模型,五、桥梁抗震计算案例,HDR高阻尼隔震橡胶支座计算参数,第一阶模态(非隔震状态),第一阶模态（HDR隔震状态）,墩底顺桥向最大弯矩图(非隔震状态),墩底顺桥向最大弯矩图（HDR隔震状态）,计算结论：采用HDR隔震装置后，避免了固定墩受力较大的状态，且极大地耗散了地震能量，各中墩受力均匀，水平力分散效果好。,五、桥梁抗震计算案例,3#墩底横桥向弯矩时程图,3#墩底顺桥向弯矩时程图,五、桥梁抗震计算案例,3#墩HDR支座横桥向滞回曲线图,3#墩HDR支座顺桥向滞回曲线图,五、桥梁抗震计算案例,减震74%,减震74%,减震74%,减震73%,HDR隔震与非隔震桥梁E2地震弹性对比分析,五、桥梁抗震计算案例,注：非隔震状态，5#墩为固定墩。,减震39%,减震39%,减震54%,减震52%,HDR隔震与普通板