结构性能的混凝土拱桥减震方法研究.pdf
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1、第 3 1卷第 1 期 2 0 0 9年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 1 No 1 F e b 2 0 0 9 结构性能 的混凝土拱桥减震方法研究 范 亮 , 周 ( 1 西南交通 大学 土木学 院, 四川成都 6 1 0 0 3 1 ; 2 志祥 重庆 交通 大学 土木学院 , 重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘 要 : 基 于位移 的抗震设计理论应用于混凝土拱桥 时,
2、 由于混凝土拱桥刚性 巨大的特殊性 , 该理 论 无法有 效 的对拱 桥进 行 减震 。针 对 混 凝 土拱 桥 , 提 出 了一 种 基 于性 能 的减 震 设 计 思路 的新 的 减 震 方法 “ 一种 混凝 土拱桥 变刚 度 智 能减 震 控 制 系统” 。该 方 法在 地 震作 用 下将 改 变主 拱 体 系、 适 当降低拱桥刚度 、 提 高主拱结构 变形能力, 对拱桥 的位移和主拱的受力进行双控 。分析表明, 该 方法在不显著增加位移的情况下可 以降低混凝土拱桥在地震作用下的结构 内力。 关键 词 : 桥 ; 拱 桥 ; 混凝 土拱 桥 ; 减震 ; 基 于 结构性 能 中图分类号
3、: U4 4 2 5 文献标志码 : A 文章编号: 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 0 9 ) 0 1 0 0 5 5 0 5 A Pe r f o r m a n c e Ba s e d S e i s mi c M e t ho d t o R C Ar c h e d Br i d g e F AN Li an g ZHOU Zh i - xi a n g。 ( 1 Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g , S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y , C
4、h e n g d u 6 1 0 0 3 1, P R Ch i n a; 2 Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g,Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ,Ch o n g q i n g 4 0 0 0 7 4,PRCh i n a ) Ab s t r a c t :I n c i v i l e n g i n e e r i n g ,t h e a s e i s mi c t h e o r y b a s e d o n d i s p l a c e
5、me n t g e n e r a l l y i s u s e d i n v i b r a t i o n d a mp i n g d e s i g n Th i s t h e o r y c a n n o t b e a p p l i e d t o r e i n f o r c e d c o n c r e t e( RC)a r c h e d b r i d g e s ,h o we v e r ,d u e t o t h e t r e me n d o u s r i g i d i t y o f t h e s e b r i d g e s To
6、a d d r e s s t h i s s i t u a t i o n,a n e w v i b r a t i o n d a mp i n g me t h o d c a l l e d a n “ i n t e l l i g e n t a s e i s mi c c o n t r o l s y s t e m wi t h c h a n g e d r i g i d i t y o f RC a r c h e d b r i d g e s ” i s s u g g e s t e d W i t h t h i s me t h o d,t h e s
7、y s t e m o f t h e ma i n a r c h wi l l b e c h a n g e d,t h e r i g i d i t y l o we r e d, t h e d e f o r me d c a p a b i l i t y i n c r e a s e d ,a n d t h e d i s p l a c e me n t a n d s t r e s s c a n b e u n d e r d o u b l e c o n t r o 1 W h e n a n e a r t h q u a k e o c c u r s ,
8、t h e RC a r c h e d b r i d g e s t r e s s c a n b e l o we r e d wh i l e t h e d i s p l a c e me n t i s n o t o b v i o u s l y i n c r e a s e d wi t h t hi s m e t ho d Ke y wo r ds : b r i dg e; a r c he d b r i dg e; r e i nf or c e d c on c r e t e a r c he d br i d ge; s e i s mi c mi t
9、i g a t i o n; p e r f or ma nc e ba s e d 混凝土拱桥因经济、 美观 、 耐久而在我国广泛采 用 , 但由于其结构刚度大, 主拱圈截面轴压 比大 , 延 性差 , 拱桥被公认为是抗震性 能相对较差 的一种桥 型。9 O年代初的不完全统计数据表明 , 在我国公路 桥梁 中拱 桥可达 7 0 。不 良的抗震性能 给位于地 震多发地区的大量 已建、 在建和将建 的混凝土拱桥 留下极大的安全隐患。如唐 山地震后 , 有 3 O多座拱 桥遭到不同程度的破坏 , 有 6座拱桥甚至完全倒塌 , 造成了巨大的损失和严重的社会影响。 该文分析发现 , 普遍用 于结构工程
10、 中的基 于位 移的抗震设计理论在混凝土拱桥抗震设计 中效果不 明显 , 不能控制拱桥在地震 发生时的结构性能。因 此 , 在分析 比较后本文采用综合考虑拱桥 内力响应 和变形响应的基于性能的抗震设计理论进行混凝土 拱桥 的减震设计 , 并提出一种新的减震方法并将其 应用于典型混凝土拱桥的减震设计中。 收稿 日期 : 2 0 0 8 1 0 1 1 基金项 目: 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 5 7 8 1 6 8 ) ; 重 庆市教委科技项 目( K J 0 7 0 4 1 5 ) 作者简 介 : 范亮 ( 1 9 7 9 一 ) , 女 , 西南交通 大学 , 博士 生 , 主
11、要从事桥 梁结构研究 , ( E - ma i l ) f a n l i a n g 2 0 0 1 g ma i l C O N。 周志祥 ( 联 系人) , 男 , 重庆 交通 大学教授 , 博 士生导师 , ( E ma i l ) z h i x i a n g z h o u c q u c e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 2 卷 1 基于位移 的抗震设计理论 基于结构性能的抗震设计理论是在基于结构位 移的设计理论基础上发展而来 。2 O世纪 9 O年代初 期 , 美国加州大学 B
12、e r k l e y分校的 J P Mo e h l e提出 了基于位移的抗震设计理论L 1 , 主张改进 目前基 于 承载力的设计方法, 这一全新概念的结构抗震设计 方法最早应 用于桥梁设计。此后, 这一理论的构思 影响了美 国、 日本及欧洲土木工程界 。这种用量 化的位移设计指标来控制建筑物 的抗震性能的方法, 比以往抗震设计方法中强调力的概念前进了一步。 在大跨径桥梁及高耸结构抗 震研究 中, 普 遍使 用结构位移的设计理论进行减 震设计 。 。然 而, 笔者研究发现, 混凝土拱桥有其特有的地震响应。 以典型大混凝土箱板拱桥攀枝花雅安大桥 ( 主 桥为一跨 1 7 6 m上承式钢筋混凝
13、土箱形板拱桥 ) 为 例。利用 MI D AS C i v i l 6 7 1 进行地震反应分析 , 模 型如图 1 , 主拱采用梁格法用梁单元模拟 , 桥面系采 用板 单 元 模 拟 。地 震 波 选 择 E 1 C e n t r o : 1 9 4 0 ,E 1 Ce nt r o Si t e , 2 7 0 De g,1 9 40, E1 Ce n t r o Si t e, 1 8 0 D e g及 1 9 4 0 ,E 1 C e n t r o S i t e , v e r t i c a l 三 向地 震 波 , 顶点为 0 3 5 6 9 g , 持续 时间为 5 3 7
14、 2 S ( 罕遇地震) 进行三维一致地震波分析时 , 该桥的地震反应特性 分 析表 明 , 在 此地震 波 的激励 下 , 该 桥三 向的最 不 利 位移分别为 : 纵向位移 6 5 4 c m( L 4处) ; 横 向位移 1 9 6 c m( 拱顶处) ; 竖向位移 : 2 0 3 c m( 拱顶处) ; 按 现行 公桥规 , 拱桥在正常使用的短期荷载作用下 其竖向允许变形限值为 L 1 0 0 0 1 7 6 C 1 T I , 若取拱 桥在罕遇地震下的竖向变形允许值为正常使用条件 下的 2倍 , 即 3 5 2 c m; 主拱结构横 向允许位移参照 建筑抗震设 计规范 , 按拱桥 矢
15、高 ( 2 9 m) 相近 的 8层钢筋混凝 土框 架楼房 的位 移限值 2 4 0 0 5 0 4 8 c m取 用 。 图 1 典型混凝土拱桥 攀枝 花大桥 拱桥在罕遇地震作用下, 即使不采取减震措施 , 最大位移响应仍可以满足其允许 限制。但与此 同时 结构的内力却显著增大, 如正常使用下主拱结构的 最大弯矩为 4 5 0 0 k N m, 在上述地震荷载作用下 , 主拱结构 的最大弯矩增加到 3 4 0 0 0 k N 1 2 2 , 即地震 荷载作用下使主拱结构的最大弯矩增加了 6 5倍 , 致使混凝土的名义应力 已经达到 4 1 MP a , 足以造成 结构的强度破坏 。地震作用下
16、混凝土拱桥的这种不 大位 移响应 和很 大 的 内力 响应是 由混 凝 土拱 桥 的结 构特点决定的。混凝土拱桥主拱结构一般为各向刚 度均很大的无铰拱, 正常使用情况下的结构变形小 , 有利于桥梁运营的安全舒适 ; 但地震发生时, 结构刚 度大则导致 在不大 的变形发 生时结构 内力显著增 大 , 因此 出现 主拱 的脆 性破 坏 。 在这 样 的地震 反 应 下 , 如 按 常 用 于 土 木 工程 中 的基于位移的减震设计思路对混凝土拱桥进行位移 减震 , 事倍功半。目前多以在结构 中加粘滞耗 能支 撑来实现结构减震 , 但欲对主拱结构加粘滞耗能支 撑几乎是不可能 的, 于是只能在拱上建筑
17、 中加粘滞 耗能支撑_ 1 , 可想而知其减震效果非 常有限, 文献 1 3中, 在拱上建筑中设 置阻尼支撑 , 对三 向最大位 移 的减小在 0 7 2 4 c m范 围内( 其 中最大位移响 应为 1 6 2 c m) 。而另一种常用于土木工程减震 的 附加质量块减震方案应用于拱桥减震 时发现 , 由于 混凝土拱桥 的质量和刚度 巨大, 该附加质量相应 的 要求较大 , 且为追求较好的减震效果 , 附加质量要求 集中布置于位移最为显著的拱顶及 4 I 处 , 这将 导 致拱桥产生非常不利于静载作用时的结构受力 , 甚 至影响拱桥在使用荷载下的结构安全 。尽管如此 , 在施加了结构难 以承受
18、 的附加质量块后 , 减震效果 仍然不如人 意。如 : 课 题组 对上 述雅 安大 桥进 行 TMD( 调谐 质量 阻尼 器 ) 减 震 时 , 经 过减 震 设计 和 优 化 , 最终的减震方案为在拱顶处和主拱 I 4处各加 入 4 0 0 k N的 TMD质量块 , 这不仅影响了拱桥的正 常使用 , 而且 减震 效果仍 不明显 : 采 用 TMD减震 后 , 全时程结构横 向反应的控制效率最大可以达到 2 0 左右; 全时程结构竖向位移反应 的控制效率最 大为 2 7 , 而竖向反应 内力控制效率在 2 0 左右; 全时程纵向反应控制效率在 1 O 左右 。而结构 内 力的减震效率 , 横
19、 向和纵 向在 1 O 以内, 竖 向约为 2O 。 2 基于性能的抗 震设计理论 基于以上研究工作 , 笔者对混凝土拱桥的减震 方案进行了重新的思索。现行减震元件大多适用于 地震激励下位移反应较大的结构, 其减震作用与元 件安装位置变形的位移或速度或加速度 成正比, 这 适用于高耸结构或刚度较小型桥减震设 计, 但不适 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 范 亮 , 等 : 结构 性 能的 混凝 土拱桥 减震 方 法研 究 用于刚度大 , 地震激励下变形反应小 、 内力反应大 的 混 凝 土拱桥 。因此 , 对拱 桥而 言 , 如何 更 有 效 的控
20、制 内力而不是变形成为了拱桥减震效果 的控制因素 。 地 震发 生 时 , 地 震 是 以 能 量输 入 的 方 式 对 结 构 产生影响, 根据功能原理 , 结构在地震能量输入时通 过变形做功将该能量转化成弹性势能从而消耗。因 此 , 结 构如果 在 弹性 范 围 内增 加 弹性 变 形量 , 从 理 论 上可以有效的消耗地震输入 的能量 , 从 而起到减震 的作用 。 综上, 混凝土拱桥在地震发生时 , 起控制作用的 不再是最大位移而是结 构内力。针对这一特 点, 笔 者提出在混凝 土拱桥减震设计 中宜采用基于性能 的 抗震设计思想, 并针对性的提出一种新 的减震方法 。 3 基于性 能的
21、混凝土拱桥减震方法 基于性能的抗震设计思想是 2 0世纪 9 O年代初 由美 国学者提 出, 它是使设计 出的结构在 未来 的地 震灾害下能够维持所要求的性能水平 。在基 于性能 的设计中, 规定了建筑的性能要求 , 而且可以用不同 的方法和手段去实现这些性能要求 。 笔者根据基于性能 的抗震思想 , 提出在地震 发 生时, 适当改变拱桥结构体系 , 减小拱桥 刚度 , 适 量 增加拱桥 的变形 能力 , 使其 在地震 作用 下可以更好 的分配地震波能量 , 在不显著增加拱桥 变形 的情况 下将主拱 的最不利 内力降低 , 从而达到减震 的目的。 这种减震 思路不再 是单纯 的以控制 最大位移
22、为 目 标 , 而是考虑拱桥的结构特点 , 以保持其使用性能为 目标 。 在上述理论的指导下 , 笔者提出“ 一种混凝土拱 桥变刚度智能减震控制 系统” ( 图 2 ) , 其原理是 : 通 过在主拱结构拱脚周边安装可变刚度元件 , 根据需 要适时改变地基对主拱结构 的约束方式 , 通 常情况 下可变刚度元件 的刚度为不 低于原结 构刚度 的常 值 , 主拱结构的力学行为为无铰拱 ; 两铰拱。选择 E l Ce nt r o: 1 9 4 0,E1 Ce n t r o Si t e,2 7 0 De g, E1 Ce n t r o: 1 9 4 0,El Ce n t r o S i t
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