高烈度地震区连续梁桥减隔震设计初步分析研究

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1、分类号 U443 单位代码 10618密 级 学 号 106260116硕 士 学 位 论 文论文题目： 高烈度地震区连续梁桥减隔震设计初步分析研究A Preliminary Analysis Research of Seismic Isolation Design for Continuous Girder Bridge in Severe Earthquake Region 研究生姓名： 巩 雯导师姓名、职称： 张 力 研究员 唐光武 研究员申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 桥梁与隧道工程论文答辩日期： 2009 年 04 月 13 日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学答辩委员

2、会主席： 张 川 评阅人： 黄福伟郑万山2009年 4 月 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可

3、以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要采用减隔震技术可以

4、显著地改善结构的抗震性能。国外已经有多座桥梁采用了减隔震技术，其中一些采用减隔震技术的桥梁在地震中表示出了良好的抗震性能；而国内在这方面的应用还较少，对于桥梁减隔震设计技术的研究也不系统。为了使桥梁减隔震技术早日在我国得到广泛应用，促进和提高我国的桥梁抗震技术水平，对减隔震技术进行研究是很有必要的。鉴于连续梁桥的结构受力特点，如连续梁桥的一联往往只设立1个固定支座，在地震力作用下处于不利的状态，因此对连续梁桥的减隔震技术进行专门研究尤为必要。本文系统地研究了如双曲面支座、普通球型支座、粘滞阻尼器、铅芯橡胶支座等减隔震装置。遵循规范公路桥梁设计细则，对在高烈度地震作用下的厦漳大桥北引桥连续梁桥进

5、行了减隔震设计。主要开展了以下几个方面的研究工作：1）分析了桥梁结构震害的特点与起因，简述了桥梁结构抗震设计方法及介绍了若干减隔震装置。概括了桥梁减隔震技术的研究意义。2）介绍了减隔震桥梁的分析、建模方法和减隔震桥梁的概念设计，简述了减隔震桥梁的细部构造设计。3）借助于有限元软件SAP2000，建立厦漳大桥北引桥完整三维有限元模型，分析模式的模拟着重于结构的刚度、质量和边界条件的模拟，使其尽量与实际结构相符。4）根据厦漳大桥北引桥的特点，经过多方案比较，确定了北引桥减隔震装置的布置方案。分析结果表明，减隔震装置的应用，可以使桥梁的减隔震效果达到50%以上。5）对粘滞阻尼器和铅芯橡胶支座的主要设

6、计参数进行了探讨，分析了主要设计参数对结构地震响应和减震效果的影响，为北引桥的减隔震设计提供了参考依据。关键词：高烈度地震区；连续梁桥；普通球型支座；双曲面球型支座；粘滞阻尼器；铅芯橡胶支座；减隔震装置参数分析ABSTRACTThe seismic performance of structures can be improved significantly via seismic isolation. To date, there are several hundred bridges that have been applied to the technologies of seismic

7、 isolation in New Zealand, Japan, Italy, the United States and other countries, some of which have survived in real earthquakes successfully. In contrast to that, such bridges cant be found in China and research on theory of seismic isolation for bridges are also scarce. In order to popularize the a

8、pplications of seismic isolation in bridges and expedite our seismic design level, it is necessary to carry out considerable research on technology of seismic isolation. In view of the stress characteristics of continuous girder bridge which is just setting one fixed support causing the continuous g

9、irder bridge in adverse state under earthquake action, so it is in particular necessary that make a special study on the technology of seismic isolation of the continuous girder bridge.Systems analysis several earthquake-reduction and seismic-isolaton devices, such as Spherical bearings; Friction Pe

10、ndulum System; Viscous damper; Lead-rubber bearings. According to the Guidelines for Seismic Design of Highway Bridge, combing with north- continuous girder bridge approach of Xia-zhang long-span bridge, which is studied seismic isolation under severe earthquake, this paper has studied some relative

11、 research work as follwings.First, The characteristic and origin of the harmness of bridge structure is analyzed. A brief summarizing of some earthquake-reduction and seismic-isolaton devices and the seismic design mothed. Depict the signifinance studying of the technique of seismic isolation .Secon

12、d, introduced the mothed of analysis and modeling of the bridge with earthquake-reduction and seismic-isolaton devices. The conception design of the shock absorption bridge is depicted. A brief summarizing of detail conformation design of the shock absorption bridge are introduced.Thrid, by the comp

13、uter program SAP2000, three-dimensional finite element modelofthenorth-bridgeapproachofXia-zhanglong-spanbridgeissimulated.Simulated model is mostly emphasized on in the model ,which should be the stiffness,mass and boundary condition of the bridge in the fact.Fourth, according to the characteristic

14、s of north approach of Xia-zhang large bridge, the schemes of installing earthquake-reduction and seismic-isolation devices of thenorth-bridgeapproachofXia-zhanglong-spanbridgeareensuredbycomparion of all schemes,.Theanalysis resultsindicate that the damping and isolation effect of the earthquake-re

15、duction and seismic-isolation devices can be up to more than fifty percent.Fifth, in this paper, the main design parameters of viscous damper and lead-rubber bearings are discussed. The earthquake-reduction effectiveness of the main design parameters of viscous damper and lead-rubber bearings are st

16、udied. The conclusions can be used as reference to earthquake-reduction and seismic-isolation design of the north-bridgeapproachofXia-zhanglong-spanbridge.KEYWORDS: severe earthquake region; continuous girder bridges; spherical bearings; friction pendulum system; viscous damper; lead-rubber bearings

17、; parameter analysis of seismic device目 录摘 要iABSTRACTii目 录iv第一章绪论11.1课题背景11.2桥梁结构抗震设计方法简述41.2.1传统的基于强度的抗震设计方法41.2.2延性抗震设计方法41.2.3减隔震控制技术41.3减隔震的概念、机理和目前的一些实用装置51.3.1柔性支撑装置61.3.2滑动摩擦减隔震装置61.3.3阻尼器71.4桥梁结构减隔震技术的研究意义81.5本文研究内容安排及创新点8第二章减隔震桥梁的设计方法102.1减隔震桥梁的概念设计102.1.1减隔震桥梁的设防水准及隔震目标102.1.2减隔震桥梁的适用情况112

18、.1.3减隔震装置的选取与布置原则112.1.4地震动输入122.2减隔震桥梁的细部构造设计132.2.1与传统抗震构造措施的协作132.2.2减隔震桥梁构造措施132.3减隔震分析方法与建模142.3.1反应谱分析方法142.3.2时程反应分析方法152.3.3分析模型建立152.4小结18第三章厦漳大桥北引桥有限元分析模型193.1引言193.2厦漳大桥北引桥工程概况193.3连续梁桥有限元分析模型的建立203.3.1主梁的模拟203.3.2群桩基础的模拟213.3.3边界条件的模拟223.3.4桥墩的模拟233.3.5厦漳大桥北引桥整体结构有限元模型243.4抗震设防标准和设防目标研究2

19、43.4.1抗震设防标准与结构性能目标243.4.2地震输入确定253.5小结26第四章厦漳大桥北引桥减隔震设计研究284.1引言284.2常用减隔震装置的减隔震原理及力学模型284.2.1双曲面球型减隔震支座的减隔震机理与计算模型284.2.2普通球型抗震支座模型和参数304.2.3粘滞阻尼器减震原理与计算模型314.2.4铅芯橡胶支座减震原理与计算模型334.3厦漳大桥北引桥结构减隔震设计布置方案354.3.1减隔震设计思路354.3.2减隔震装置的布置方案354.3.3支座布置方案效果分析及比较414.3.4各方案结果比较514.4小结54第五章减隔震装置主要参数设计和建议565.1双曲

20、面球型支座565.2粘滞阻尼器565.3铅芯橡胶支座605.4小结63第六章结论与展望656.1本文工作结论656.2未来工作展望66参考文献68在学期间发表的论著及参与的科研项目73致 谢749第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题背景地震是与地球构造运动密切相关的一种自然现象。它是伴随着地壳上能量的释放而引起的地球表面强烈振动。我国就是一个多地震的国家，许多桥梁桥址处于地震多发区，地质条件复杂，桥址处地震、台风等自然灾害频繁。倘若桥梁工程遭到严重破坏，就会切断震区的交通生命线，造成救灾工作困难，加重次生灾害。因此，桥梁的抗震防灾工作显得极为重要。2008年5月12日14时28分，在四川东部龙

21、门山构造带汶川附近发生了80级强烈地震，极震区烈度高达XI度。此次地震不仅在震中区附近造成灾难性的破坏，而且在四川省和邻近的甘肃和陕西省大范围内也造成了破坏，其影响更是波及到全国绝大部分地区乃至境外，是新中国成立以来我国大陆发生的破坏性最为严重的地震。据报道，“截至2008年6月19日，汶川地震已造成公路、桥梁、隧道各类交通基础设施的直接经济损失达670亿元。造成24条高速公路、161条国省干线、8618条乡村公路、6140座桥梁、156条隧道受损。”汶川“512”地震再一次显示了桥梁工程破坏的严重后果（图1.1），也再一次说明了桥梁工程抗震研究的重要性。图1.1 213国道白花镇百花大桥倒塌

22、Fig 1.1 Collapse of Baihua Bridge in State Highway 213在各种桥梁结构形式中，以简支梁、连续梁为代表的梁式桥在连接省际、市际的国道和省道中占据了主导地位。在汶川“512”地震许多受损的桥梁中，梁式桥就占有很大比例（图1.1）。因此，在地震灾害中，确保生命线工程的安全，加强对梁式桥地震行为的认识，对工程抗震具有重要的意义。由于梁式桥结构的构造类型通常由上部结构（主梁）、连接部位（支座）、下部结构（墩柱、承台）及基础等部分组成，因此梁式桥震害的分类通常也是从以上几个角度来进行：上部结构在地震灾害中由于结构本身强度破坏而导致上部结构失效的情况较为少

23、见，多为在地震作用下产生的大位移，或是由于地基土的作用造成位移放大而引起的主梁落梁或主梁间撞击造成的主梁损坏。下部结构的震害通常表现为弯曲损伤和剪切损伤，究其原因有约束箍筋配置不足、纵向钢筋搭接或焊接不牢等引起墩柱延性能力不足和强梁弱柱的设计方式；地震中桥梁支座的破坏较为普遍，支座历来被认为是桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节，支座在地震中失效会引起内力重新分布，可能使桥梁的上部结构或下部结构超载，或二者都超载，继而可能引起倒塌。在汶川“512”地震中就有不少支座破坏的例子（图1.2、图1.3）。从以上桥梁震害分析来看，不少上部结构及下部结构的损伤都与支座有关。因此，支座虽小，但其重要性和安全性

24、却是值得桥梁工程师重视的。 图1.2 百花大桥支座的损伤 图1.3 绵竹市回澜立交桥支座的损伤Fig1.2 Sheer damage to the support of Fig1.3 Sheer damage to the support of Baihua Bridge Huilan Overpass in Mianzhu City采用减隔震装置是桥梁抗震的重要手段，具有广阔的发展前景。由于它不需要引入外部能源，比较经济且易于在工程上实现，非常适合我国的国情。国外在桥梁的减隔震方面具有大量的研究成果，减隔震装置在历次大地震中也经受了考验。我国在一些大跨径桥梁结构上也采用了减隔震装置来降低结构

25、的地震响应，在减震耗能技术上已经具有一定的研究和应用基础。但在汶川地震灾区中，未见到采用减隔震和耗能装置的桥梁，如果采用减隔震装置也许会大大减轻结构的地震灾害。但是，减隔震的设计方法不同于传统的设计方法，它的推广需要桥梁工程师摆脱传统设计方法的束缚。由于减隔震技术在我国起步较晚，尚未得到普遍推广。许多桥梁工程师并未充分认识到减隔震的价值，减隔震主要是科研人员研究分析的对象。正是在这种情况下，本论文选择梁式桥的减隔震体系进行研究。希望通过对隔震系统进行一定的分析、比选，可以给出一个面向于广大桥梁工程师的、适宜于运用减隔震技术的桥梁的适用范围，使桥梁工程师们了解在什么样的条件下采用减隔震设计比较有

26、效，了解不同的减隔震装置的适用范围。希望可以籍本课题的研究，进一步推动减隔震技术在我国的发展与应用。厦漳跨海大桥工程起于角嵩路与青兴路交点处（厦门市和漳州界线交界处）的角嵩路上，止于漳州龙海市后宅处。在厦门岸，线路沿着厦门和漳州的分界线，经过厦门青兴水泥厂、海沧区青礁村和规划的厦门港的23号泊位处跨海，在经过规划的23号泊位后，往东偏，在海门岛烟墩山的东侧上岛后，从海山小学和海山村的西侧穿过，经过海平避风港山头后跨过南汊海域，在漳州海平渡口处上岸，跨越疏港一级公路后，沿着往后宅的平地展线，终点和海平立交匝道相接，再由海平立交与现有的道路相接。桥位二（推荐桥位）起于角嵩路与青兴路交点处（厦门市和

27、漳州界线交界处）的角嵩路上，止于漳州龙海市后宅处。路线全长10.841km,其中桥长度10121.0m，包括主跨为720m的北汊主桥和主跨为290m的南汊主桥以及北引桥、南引桥和多座立交桥。大桥工程场地地处地震多发区，地震基本烈度为度，抗震设防要求按8.6度设防，同时在地震烈度值为、度的地震条件下，拟建大桥场地分别存在砂土液化、严重液化等问题，并需考虑饱和软土震陷影响。因此该工程桥梁抗震设计问题非常突出，技术难度也非常大，重庆交通科研设计院对其开展了专门研究。目前，厦漳大桥的抗震设防标准是国内同类型同规模桥梁工程中最高的，因此其引桥和多座立交桥的抗震设计在满足2008新实施的规范公路桥梁设计细

28、则要求的条件下，也有必要引入新规范中一些先进的抗震设计理念和设计方法，提高桥梁抗震设计水平，同时尽可能地节省投资。因此，本课题以厦漳跨海大桥北引桥工程为研究对象，对北引桥连续梁桥的抗震性能进行研究，这无论从经济角度还是从安全角度都是特别重要的。目前，无论国内还是国外对连续梁桥的抗震性能研究已经比较多了，但是对于高烈度地震下的抗震性能研究还不多，并且国内以往的绝大多数桥梁工程抗震都依据JTJ004-89公路工程抗震设计规范进行设计，但在最近的汶川大地震中，这种基于强度的抗震设计方法的缺陷再次被突出地反映出来。因此，本文特选用了桥址处于地震高烈度区的厦漳跨海大桥工程，并依据新实施的抗震规范公路桥梁

29、抗震设计细则对厦漳大桥北引桥进行了抗震性能分析，重点探讨减隔震措施。1.2 桥梁结构抗震设计方法简述1.2.1 传统的基于强度的抗震设计方法现已被 公路桥梁抗震设计细则51代替的旧规范公路工程抗震设计规范JTJ004-8944规定，位于7及7以上地震区内的新建桥梁，均需要进行抗震设计。这里所谓的抗震设计实际上仅是设计地震作用下的强度验算，基本没有涉及与位移和延性有关的设计过程。这种单纯利用结构自身的强度(如加大构件的截面尺寸或提高材料的强度等)来抗震，对于随机性很强、发生概率又很小的强震作用，既不经济又不全面。1.2.2 延性抗震设计方法结构在构件达到屈服强度后，能保持外荷载不变、而变形不断增

30、长的能力称为延性能力。桥梁延性抗震设计是将桥墩的某些部位(通常是桥墩底部)设计成具有足够的延性，以便在强震作用下，在这些部位形成稳定的延性塑性铰，产生弹塑性变形来耗散地震能量。延性抗震设计方法与传统的抗震设计方法的主要区别是，它通过在结构预先选定的塑性较区域发生弹塑性变形来耗散地震能量和延长结构的周期。在延性抗震方面，Park李等人39做了大量的工作，并提出了一整套切实可行的设计方法。然而，延性抗震方法存在以下不足之处： 依靠屈服耗能减震将导致桥梁的重要支承构件桥墩产生损伤，因此即使是中等强度的地震，震后也需要进行昂贵的修复工作。 延性桥梁结构允许较大的变形，因而对上部结构与桥台连接的部位要进

31、行仔细设计，否则桥台的损坏会阻碍震后的交通。 由于桥墩的屈服所产生的永久性倾斜，通常难以恢复。 为了确保构件达到延性屈服的目的，其设计过程通常比较复杂。1.2.3 减隔震控制技术减隔震设计思想的提出已有100多年的历史了。20世纪60年代以来，由于一些相关领域(如计算机软、硬件，大型伺服控制振动台，地震学家对特定场地地震动的估测能力等)的迅速发展，减隔震技术的推广也获得了很大的进步，采用减隔震技术建造的桥梁在世界范围已有很多例。现代减隔震控制技术为结构物抵御地震作用提供了新的途径。工程结构减震控制是通过在工程结构的特定部位安装某种减隔震装置(如铅芯橡胶支座)、或某种耗能机构(如阻尼器)、或某种

32、附加子结构(如调谐质量阻尼器)、或施加外力，以改变、调整结构的动力特性或动力作用，从而使工程结构在地震作用下的动力反应限制在容许的范围内，以确保工程结构在地震作用下的安全性、可使用性和舒适性。在国外，减隔震技术在桥梁上的应用已经十分广泛，并且该技术已经为桥梁抗震做出了引人注目的贡献，一些减隔震桥梁在地震中具有良好的抗震性能，保证了震后的正常使用。为了使桥梁减隔震技术早日广泛应用于我国，促进和提高我国的桥梁抗震技术，很有必要对该技术进行全面系统的研究，使其能真正付诸于实施。1.3 减隔震的概念、机理和目前的一些实用装置减隔震的本质和目的就是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。要达到这个

33、目的。可通过延长结构的自振周期，避开地震能量集中的范围，减少结构承受的地震作用，从而降低结构的地震力，见图1.4。但通过延长结构周期以达到折减地震力，必然伴随着结构位移的增大见图，1.5，从而可能造成设计上的困难。此外，由于结构较柔，在正常使用荷载作用下结构可能发生有害振动。为了控制过大变形，可通过在结构中引入阻尼装置。以增加结构的阻尼，从而减低结构的位移。此外，从图1.4可知，增加结构的阻尼还可以同时降低结构的动力加速度。从上述论述可知，在进行减隔震设计时，应将重点放在提高耗散能力和分散地震力上，不能过分追求加长周期。应选用作用机制简单的减隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。另外，减隔

34、震装置不仅要能减震耗能，还应满足正常运营荷载的承载要求。具体有以下要求： 在不同水准地震作用下，减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力。 减隔震装置应具有较高的初始水平刚度，使得桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害的振动。 当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时，减隔震支座产生的抗力比较低。 减隔震装置应具有较好的自复位能力。 图1.4 加速度反应谱 图1.5 位移反应谱Fig.1.1 Response Chart of Acceleration Fig.1.2 Response Chart of Displacement1.3.1 柔性支撑装置柔性支撑装置主要通过向结构提

35、供柔性，使结构的基本周期偏离地震波的卓越周期来达到减小结构地震响应的目的。目前橡胶支座作为一种柔性支撑，是世界上应用最广，实用性最好的一种。常见有以下几种： 板式橡胶支座 板式橡胶支座是唯一一个既具有线性恢复力又有线性阻尼的单个元件的减隔震装置。它是由多层橡胶与薄钢板镶嵌、粘合、硫化而成。板式橡胶支座具有足够的竖向刚度以承受垂直荷载；有良好的弹性以适应梁端的转动；有较大的剪切变形以满足上部结构的水平位移；具有构造简单、价格低廉、养护方便、易于更换等特点。板式橡胶支座还有良好的防振作用，可减少动荷载对桥跨结构与桥台的冲击13，32，33 。由于不能控制梁体与墩、台之间的过大的相对位移，板式橡胶支

36、座具有一定的局限性34。 铅芯橡胶支座 铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座的中间设置圆孔并压入铅而制成。板式橡胶支座能够承受竖向压力，并能提供屈服后刚度。铅芯在接近纯剪切情形下，反复变形时可以发挥稳定的吸收能量的能力。铅芯橡胶支座是一种阻尼器内置型的板式橡胶支座，具有较高的初始刚度，在铅芯屈服后刚度又很小，在很多场合都是最适合的减隔震装置35 。铅芯橡胶支座是非线性减隔震装置，可以很好地用双线性恢复力来描述。 高阻尼橡胶支座 高阻尼橡胶支座是在板式橡胶支座中使用具有高阻尼的橡胶，这样制成的支座一方面可支承上部结构重量，同时又具有吸收地震能量的作用35。由于与阻尼器的功能形成一体，高阻尼橡胶支座可以节

37、省使用空间，施工上也较为方便。 新型减震橡胶支座 1990年，范立础和哀万城在国内常见的板式橡胶支座的基础上，增加了弧形钢板条耗能器，将之改进成新型的减震橡胶支座，于1992年获国家专利。新型减震支座保留了板式橡胶支座的特点，同时利用了弧形钢板条在地震动过程中的弹塑性变形增加结构阻尼，来达到耗散地震能量的效果27 ,37。1.3.2 滑动摩擦减隔震装置滑动摩擦装置通过支承的滑动使结构的周期偏离地面运动的卓越周期，其摩擦起到阻尼器的作用。滑动摩擦装置构造简单，由于不具有明确的周期，可以在相当广的频率范围内获得良好的减隔震效果。国内外有关滑动减隔震装置的研究表明，用干摩擦材料来隔离地面运动和上部结

38、构，能够有效地控制地面传到上部结构的地震作用，减少结构的地震反应。中小地震时，滑动支承产生弹性变形，由于周期特性较长，使地震力减小；大地震时，由于开始滑动，地震力不再增大，而摩擦耗能也能减小梁体和墩、台之间的相对位移35。用于滑动摩擦减隔震的装置主要有： 滑板橡胶支座(PTFE) 滑板橡胶支座是在普通板式橡胶支座上，按照支座尺寸的大小粘覆一层厚24mm的聚四氟乙烯板制成，除具有普通板式橡胶支座的优势外，还能利用聚四氟乙烯板与梁底不锈钢板的低摩擦系数(f = 0.040.08)使桥梁上部构造的水平位移不受限制31,32,33。但是，这种装置由于不具有向平衡位置的自恢复力，不易控制梁体与墩、台之间

39、的相对位移。 回弹滑动支座 回弹滑动支座由一组重叠放置又相互滑动的带孔四氟薄板和一个中央橡胶核、若干个卫星橡胶核组成。主要是为了解决上部结构与滑动装置之间位移过大的缺陷，这种减隔震装置比铅芯橡胶支座及四氟乙烯支座具有更宽的减隔震范围。但这种减隔震装置的构造比较复杂。 摩擦摆支座(FPS) 摩擦摆支座的概念从单摆运动演变而来27,40。当摩擦摆支座所支承的上部结构在地震作用下发生微小摆动时，摩擦阻尼消耗地震能量，从而达到减震效果。摩擦摆支座的减隔震效果与固有周期和摩擦系数密切相关。1.3.3 阻尼器在减震阻尼其中，有利用弹塑性滞回能量耗能的弹塑性阻尼器，有依赖于地震反应度衰减能量的粘性体或油阻尼

40、器。 弹塑性阻尼器 弹塑性阻尼器是线性阻尼器的极佳候选者。但足它可能难于达到减隔震所要求的阻尼值。它的性能与温度密切相关，在要求使用寿命为50100年的情况下，可能需要维护保养。 粘性阻尼器 粘性阻尼器的最常见类型是粘性油缸，一般由缸体、活塞和粘性液体组成。活塞在缸体内可作往复运动，活塞上有小孔，当活塞与油缸间产生相对运动时，液体从活塞上的小孔通过，从而产生粘滞阻尼。粘性油缸中的粘性液体一般为硅油。粘性油缸要达到设计所需的粘滞系数，油缸内的液体的压力是很大的，这样在长达50年或100年的使用期内保证其额定的压力就很困难。如果油缸内的粘性液体发生渗漏，还会威胁结构的安全。 摩擦阻尼器 摩擦是一种

41、很好的耗能方式，这种耗能方式在火车和汽车已被广泛应用，在结构工程中也出现了各种不同构造形式和不同摩擦材料的摩擦阻尼器。其特点是产生滑动后水平荷载恒定不变。与弹塑性阻尼器不同，摩擦阻尼器的性能不受温度影响，即使由于摩擦产生的热量使阻尼器的温度升高许多，摩擦阻尼器的性能也基本无变化。1.4 桥梁结构减隔震技术的研究意义在桥梁抗震设计中，引入减隔震技术的目的就是利用减隔震装置在满足正常使用功能要求的前提下，达到延长结构周期，消耗大量地震能量，降低结构的响应。因此，对于桥梁的减隔震设计，最重要的因素就是设计合理、可靠的减隔震装置并使其在地震发生时充分发挥作用。桥梁结构的大部分耗能、塑性变形应集中于这些

42、装置，允许这些装置在地震作用下发生大的塑性变形和存在一定的残余位移，而结构其他构件的响应基本为弹性或有限塑性。应注意到，当减隔震装置采用的是铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座时，已改变了传统钢支座等提供的约束关系，它与传统的钢支座不同，不再提供简单的“固定”、“可动”约束条件，而是弹性约束条件，这也就使得结构的振动响应成为整体。同时给设计人员提供了一种比较自由的方式来确定分配到下部结构各构件的水平力，改善了整个桥梁下部结构的受力。在桥梁抗震研究领域，寻求更有效的抗震手段来抵抗地震对结构的破坏是桥梁抗震研究的主要课题14-19，这对于保证桥梁在地震中的安全和正常使用，对于城市和地区的抗震减灾工作和地震

43、灾区的震后恢复重建工作都具有重要意义 20：通过设置减隔震装置，可以改善地震力在下部结构各支座间的分布，保护基础、桥墩、桥台等不受破坏；对结构横向地震反应采用减隔震技术，可以调节横向刚度，改善结构的扭转平衡，全面降低地震反应；上部结构采用减隔震技术可以用来减少或消除下部结构超出弹性范围的现象，即在难以检查或修复的地方，如部分埋置的桥墩和它们的基础，可避免发生严重的非弹性变形；各减隔震装置在正常使用条件下，由于温度、收缩、徐变等变形引起的抗力很小，为连续梁桥在城市桥梁中的使用提供了可能，即减小了伸缩缝的规模；采用减隔震技术后，在同等造价情况下可获得比传统抗震设计更高的抗震性能；与传统非减隔震桥梁

44、相比，在经历较大地震后，减隔震装置的更换比较容易，维修时间和费用均比较低，而传统桥梁的抗震加固在时间、费用上一般均比较高。1.5 本文研究内容安排及创新点本文内容作以下安排：第一章为绪论部分，概括介绍了本文的研究背景和桥梁结构的抗震设计方法，介绍减隔震技术的概念、机理以及目前一些实用的减隔震装置；阐明了本文的研究目的和意义以及本文的内容安排。第二章为减隔震桥梁的设计方法部分，在大量文献调研和阅读的基础上，概括了减隔震桥梁设计的适用条件；简述了减隔震桥梁的概念设计以及对细部构造的设计；最后介绍了减隔震桥梁的分析方法与建模。第三章为厦漳大桥北引桥有限元分析模型部分，本章运用有限元程序SAP2000

45、建立该桥的动力分析模型。分析模型的模拟着重于结构的刚度、质量和边界条件的模拟，使其尽量与实际结构相符。为减隔震装置的模拟及厦漳大桥北引桥的抗震性能分析提供准确的有限元模型。第四章为厦漳大桥北引桥减隔震设计研究部分，以厦漳跨海大桥北引桥为研究对象，通过比较采用减隔震装置前后该桥的地震反应，分析了各减隔震装置对北引桥的减震效果。第五章为减隔震装置主要参数设计和建议部分，本章以厦漳跨海大桥北引桥为例主要分析了粘滞阻尼器的设计参数阻尼系数C和速度指数的变化以及铅芯橡胶支座主要的三个设计参数支座屈服前刚度K1、支座屈服后刚度K2和支座屈服力Qd的变化对结构地震响应的影响规律，并对双曲面球型支座、粘滞阻尼

46、器和铅芯橡胶支座参数设计提出了几点建议。第六章为结语和工作展望部分，本章主要总结了本文的研究范围、本文的工作内容、以及未来的工作展望。本文的创新点： 论文是在厦漳大桥位于高烈度地震区而需要具有较高设防标准的特定情况下，对其北引桥连续梁桥的减隔震设计进行初步研究。目前，厦漳大桥的抗震设防标准是国内同类型同规模桥梁工程中最高的，因此，对处于高烈度地震区的北引桥连续梁桥进行抗震分析对于确保大桥抗震安全具有重要的实际意义。 论文是在重庆交通科研设计院主持编写的行业标准公路桥梁抗震细则于2008年8月29日经交通运输部发布、10月1日实施后的特定情况下，根据该标准新增加的减隔震桥梁设计原则和有关规定，对

47、于北引桥连续梁桥的减隔震设计技术进行研究。也是该标准发布后国内首次在大型桥梁建设中专门针对连续梁桥减隔震设计进行研究的工程实例，其研究工作和取得的成果对于验证该标准指导和控制减隔震桥梁设计的作用具有重要的工程意义。17第二章 减隔震桥梁的设计方法第二章 减隔震桥梁的设计方法2.1 减隔震桥梁的概念设计减隔震桥梁的设计方法与桥梁静力设计、非减隔震桥梁抗震设计方法流程有诸多类似之处，也有其独特的一面。一般来讲，减隔震桥梁的设计应包含三个阶段，即概念设计阶段、数值设计阶段、细部构造设计阶段。通常，人们比较重视数值设计阶段，而对概念设计阶段、细部构造设计阶段则不够重视。实际上，由于人们对地震机理、桥梁

48、结构地震响应等方面的认识存在很大的局限性，有效的减隔震设计最主要的是借助于人类已积累的经验，而不是依赖于单纯的理论分析计算结果，因而，概念设计与细部构造设计对减隔震桥梁是非常重要的。减隔震桥梁的概念设计内容包括设防水准及其对应减隔震目标的确定、减隔震桥梁的适用情况、减隔震装置的选取与布置原则、地震输入的选取等方面。2.1.1 减隔震桥梁的设防水准及隔震目标近几十年来，美国、日本等国家的地震工程专家先后提出了分级设防的抗震设计思想，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。各国根据自己的国情，制定了不同的设防水准和设计方法。从一水平设防，一阶段设计逐渐发展到双水平设防、三水平设防，两阶段设计，以及多水

49、平设防、多性能目标的基于性能的抗震设计等。1）一水平设防，一阶段设计公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）采用的就是一水平设防，一阶段设计，.设防的水平是基本烈度（50年超越概率10%），设防的目标根据结构的重要程度，从经一般整修即可正常使用，到不发生严重破坏。欧洲统一规范（Eurocode8）采用的也是一阶段设计方法，只是更注重结构的延性设计和验算。实践表明，一水平设防，一阶段设计存在许多的不足。2）双水平设防、三水平设防，两阶段设计我国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）就是采用三水平设防两阶段设计方法，即对于发生频率高、可能性大的中小地震，基本不影响使用功能，验算小震的强度；

50、对于发生概率小的大地震，要求结构不倒塌或不发生严重破坏，验算塑性变形。日本公路桥梁抗震设计规范中采用双水平设防两阶段设计方法。对标准桥梁（A类桥），要求在小震作用下，不出现有损桥梁健全的破坏现象；在大震作用下，不对桥梁产生致命破坏。对特别重要桥梁（B类桥），要求在小震作用下，不出现有损桥梁健全的破坏现象；在大震作用下，仅对桥梁产生有限的损伤。新的美国AASHTO规范也采用了两水平设防两阶段设计方法。由重庆交通科研设计院主编的公路桥梁抗震设计细则中，规定采用两水平设防两阶段设计方法。当桥梁遭受重现期较低的E1地震作用时，各类桥梁一般不受损坏或不需修复可继续使用；当桥梁遭受重现期较高的E2地震作用

51、时，A类桥梁（主跨150米以上的特大桥）可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用，B、C（单跨跨径不超过150m的桥梁）类桥梁应保证不致倒塌或不产生严重结构损伤，经加固修复后仍可继续使用。3）多水平设防，多性能目标的基于性能的抗震设计1994年美国Northridge地震和1995年日本Kobe地震后，美、日学者提出了基于性能的抗震设计思想（Performance-Based Design Philosophy），主要包括结构抗震性能等级的定义，抗震性能目标的选择，以及通过正确设计实现性能目标三部分。这种方法的优点是抗震性能目标可以根据结构的重要性“自主选择”。由于进入非弹性阶段后结

52、构性能状态的分析比较困难，全面结构性能状态的指标仍在研究中，所以目前这种方法仍然不十分成熟。2.1.2 减隔震桥梁的适用情况桥梁减隔震设计有其适用条件，从现行的行业标准公路桥梁抗震设计细则51可知，如果满足下面三个条件或其中一条就可尝试采用减震隔震技术进行桥梁的减隔震设计： 桥梁中有刚性墩，桥的基本振动周期比较短； 桥梁的高度是不规则的，例如相邻桥墩的高度显著不同，因而可能存在对某个墩延性要求很高的情况； 对于给定的场地，预期地面运动特性比较明确，具有较高的卓越频率和在长周期范围内所含能量较低。而存在以下情况之一时，则不适合采用减隔震设计： 基础土层不稳定；下部结构柔性大，原有结构的固有周期比

53、较长； 位于软弱场地，延长周期可能引起共振； 支座中出现负反力。减隔震技术是简便、经济、先进的工程抗震手段。减隔震体系通过增大结构主要振型的周期，使其落在地震能量较少的范围内或增大结构耗散能量的能力来达到减小结构地震反应的目的。在进行抗震设计时，要根据结构特点和场地地震波的频率特性，通过选用合适的减隔震装置、相应参数以及设置方案，合理分配结构的受力和变形。一方面，应将重点放在提高吸收能量能力从而增大阻尼和分散地震力上，不必过分追求加长周期。另一方面，应选用结构和作用原理简单的减隔震体系，适当加以应用。2.1.3 减隔震装置的选取与布置原则减隔震装置的选取及布置应考虑以下几个方面：1）减隔震桥梁

54、应具有必要而适宜的减隔震度。2）尽量选择目前较为成熟的减隔震装置，如铅芯橡胶支座，粘滞阻尼器等。若采用滑板支座则须具有自复位性能(如FPI隔震支座)，或与其它耗能装置联合使用，并有足够的措施保证摩擦系数的稳定不变，消除安装偏差。3）对于墩高相差不大的U型河谷上的桥梁、城市高架桥宜采用等水平刚度的减隔震支座；对于相邻墩高相差较大的V型河谷上的桥梁宜按照桥墩、支座串联刚度相等的原则来确定各减隔震支座的水平刚度，使此种情况亦可达到较为理想减隔震的效果。4）在遭受罕遇地震、发生较大水平剪切变形时，减隔震支座应保持足够的竖向承载能力，并有一定的安全储备。5）减隔震装置应有较大的水平初始刚度，使得桥梁在风

55、荷载、车辆制动力、摇摆力及离心力等正常使用荷载作用下不产生有害的振动。一般的，减隔震装置水平屈服荷载应大于正常使用状态最不利荷载组合的15倍，屈服前刚度应为屈服后刚度的8l0倍。6）在环境温度变化、混凝土收缩徐变等缓慢变形的作用下，减隔震装置所产生的抵抗力较小，可免桥墩产生过大的附加内力，导致高柔桥墩静力设计的困难。7）减隔震装置应具有较宽的频带适应性和有效性，至少在宏观给定的场地、烈度情况下没有副作用。8）就地震烈度而言，对于不同的地震烈度，应选择不同的减隔震体系。如在9度烈度下建议采用减隔震技术，则应与耗能装置联合使用，增大减隔震体系的耗能能力，削减梁体的残余变位。9）减隔震装置性能不应存

56、在方向敏感性，以免在横桥向或斜桥向地震输入下不能有效发挥作用。2.1.4 地震动输入地震动输入是进行结构地震反应分析的依据，对结构的地震反应影响很大。结构的地震反应以及破坏与否，除和结构的动力特性、弹塑性变形性质、变形能力有关外，还和地震动的特性（幅值、频谱特性和持续时间）密切相关57,58,59。地震地面运动在时间和空间上都具有高度的变化性，在一般的结构地震反应分析中，往往只考虑它们的时间变化性，而不考虑它们的空间变化性。因此，在结构地震反应分析中，通常都假定各支撑点的地面运动时相同的。然而，大跨度桥梁的各支撑点可能位于显著不同的场地土上，由此导致各支撑处输入地震波的不同，因此，在地震反应分

57、析中就要考虑多支撑不同激励，简称多点激励60。即使场地土的情况变化不大，也可能因地震波沿桥纵轴向先、后到达的时间差，引起各支撑处输入地震时程的相位差，简称行波效应61。在采用时程分析法对结构进行地震反应分析时，需要输入地震动加速度时程。目前，抗震设计中有关地震动加速度时程的选择主要有下列三种方法62，即直接利用强震记录、或采用人工地震加速度时程和规范标准化地震加速度时程。2.2 减隔震桥梁的细部构造设计63汶川大地震中，大量桥梁发生抗震挡块(剪力键)的剪断或剪裂现象，还有的则由于缺乏足够连梁装置而出现落梁现象。而采用减隔震设计的桥梁通常结构的变形比不采用减隔震技术的桥梁大，为了确保减隔震桥梁在

58、地震作用下的预期性能，必须对减隔震桥梁进行细部构造设计，并对施工质量给予明确规定。减隔震桥梁的细部构造设计包括减隔震桥梁与传统抗震构造(抗震挡块、防落梁装置)之间的协作和减隔震桥梁细部构造设计两个方面。2.2.1 与传统抗震构造措施的协作在桥梁抗震设计中，一般均在上部结构与下部结构之间设置抗震挡块、防落梁装置等抗震构造。当其不发挥作用时，梁体可以自由运动，开始发挥作用时，梁体运动受到约束。减隔震桥梁在设计地震作用下，梁体的位移通常较大，为使减隔震装置能与传统构造措施之间较好地协同工作，应对抗震构造如何适应大位移振动情况进行系统细致的研究，具体说来，似应注意以下几点：1）抗震挡块与梁体之间应预留

59、足够的间隙，确保在多遇地震作用下减隔震体系而不是抗震构造发挥作用，在罕遇地震作用下抗震构造方发挥其作用。2）抗震构造应采用具有缓冲吸能功能材料制成，其刚度不宜太大，抗震挡块宜采取“软挡”而不是“硬挡”的对策，如采用橡胶挡块或在传统的混凝土挡块与梁体之间填充高压缩性的吸能材料，以减小梁体与挡块之间的冲击力。3）鉴于抗震构造措施对于减隔震桥梁的反应影响较大，直接影响到减隔震体系能否发挥作用，宜在分析计算时予以充分的考虑，而不应像传统抗震那样，仅作为构造手段，在反应分析时不予考虑。2.2.2 减隔震桥梁构造措施减隔震桥梁构造措施包括以下几个方面：1）梁端与梁端、梁端与桥台之间应留有足够的间隙，以确保

60、减隔震桥梁以上部结构的运动能为主来耗散外部能量输入，一些规范虽对间隙的大小做出了规定但似乎不够充分，对于高柔桥墩或在长周期地震波下宜通过非线性分析计算予以校验，同时，为保证正常运营，应在此间隙中填充软木、橡胶等高压缩性材料。2）对于简支梁减隔震体系，宜采用必要的纵向连续加强构造措施。目前处理方法有两种：其一是采用软钢或螺栓将相邻梁体联接为一体的软性构造措施。在多遇地震作用下简支梁反应类似于连续梁，在罕遇地震作用下软钢或螺栓屈服或失稳，梁体各自独立振动；其二是桥面板联为一体、在梁体与桥台之问预留大位移间隙的硬性构造措施，简支梁反应与连续梁基本相同，上述两种措施以那种为优还有待进一步研究。3）连续

61、梁特别是联长较大的连续梁，梁体与桥台之间的间隙量值较大，通常达40cm60cm，才能满足减隔震体系在罕遇地震作用下的运动要求。此间隙往往与桥梁使用要求发生矛盾。新西兰减隔震桥梁有一种构造措施“碰即脱”，桥台顶块与桥台连接较弱，梁体桥面板伸出，地震作用下桥台顶块一碰即脱，让出桥梁振动空间。这样既可满足使用要求、又可满足减隔震要求，很有借鉴意义。4）在梁的支座处，应设横向支挡措施，梁体与横向支挡措施之间，应保留足够的横向间隙，以确保在横桥向或斜桥向地震输入下减隔震体系能够发挥作用。5）梁体侧倾是简支体系严重的震害之一，对于装配式T梁尤为突出，应加强装配式简支梁的横向联系，采取有效的防侧倾构造措施。

62、6）在采用防落梁装置的同时，应保证梁端距桥台、桥墩边缘的最小纵向距离，通常应大于100cm，以免产生落梁震害。2.3 减隔震分析方法与建模减隔震结构的分析方法同常规结构的分析方法类似，也可以分为反应谱分析方法和动态时程分析方法两大类。(静力法由于其使用的局限性，目前只适用于桥台35，在此不作探讨。)2.3.1 反应谱分析方法反应谱方法是动力分析的方法之一。目前在中小跨度的桥梁抗震设计中，广泛使用。反应谱法是线弹性分析方法，方法简洁，在一定条件下，使用反应谱法进行减隔震桥梁的分析仍可得到较理想的计算结果，尤其在初步设计阶段，可帮助设计人员迅速把握结构的动力特性和响应值，因此，该方法仍是减隔震桥梁分析中十分重要的分析方法。它用于抗震设计主要包括两个基本的步骤：首先根据强震记录统计用于设计的地震反应谱；其次将结构振动方程进行振型分解，将物