液体粘滞阻尼器在市政桥梁抗震加固设计的研究应用及实用性分析.doc.doc
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1、液体粘滞阻尼器在市政桥梁抗震加固设计的研究应用及实用性分析 摘要:本文首先对桥梁的地震易损性和抗震加固方法进行了分析,继而结合笔者对阜成门,德胜门和安定门立交桥抗震加固的实际设计进行经验总结,展示了粘滞阻尼器在市政桥梁加固时的设计方法,同时与常规加固技术进行比较,揭示了该加固措施在工程造价、交通影响、可实施性等方面的优势,并且分析探讨了在阻尼器参数优化分析的方法。最后提出了阻尼器在我国应用存在的问题,前景及市场等。其中,在案例分析中,论文研究成果表明:现役的没有进行抗震设计的桥梁,一般而言普遍存在罕遇地震下延性能力不足等缺陷。减、隔震加固方法,特别是在墩梁、桥台主梁之间施加粘滞阻尼器的技术措施
2、,为该类立交桥的抗震加固提供了一个很好的解决方案。其成效不仅显著,而且具有造价低、可实施性强、交通影响小等优势,适于推广应用。并且,进行粘滞阻尼器设计时要考虑其布置位置及设计的参数的优化。需注意在减震加固设计时应具有明确的位移目标、同时应注意加固后连接构件局部受力需求的增加。 关键词:液体粘滞阻尼器;抗震加固; 实用性;应用前景 中图分类号:U445.2 文献标识码: Application of Research and Practicability Analysis of FVD in Municipal Bridge Seismic Strengthening Qin Zhiyuan1,
3、 Chen Yongqi2 (1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 100044;2. Beijing QITAI Shock Control and Scientific Development Co.,Ltd, Beijing 100037) Abstract: This paper firstly make analysis of the bridges seismic vulnerability and seismic strengthening methods, and then summarize e
4、xperiences on the practical designing of seismic strengthening of municipal bridges, such as Fu Cheng Men bridge, De Sheng Men bridge, An Ding Men bridge, etc. The summarize shows the designing method of municipal bridges strengthening when using the FVD, and also, it is compared with the convention
5、al reinforcement technology, which reveals the advantages of reinforcement measures in engineering cost, traffic impact, and implementation. In addition, it analyses the optimization analysis method of the damper parameters. Finally, it propose problems of dampers has existed in our nation and the d
6、ampers prospect and market. Among the cases studied, the research results show that: The bridges without seismic designing always have the shortages of having no enough ductility in the rare earthquakes. However, the method of seismic reduction and isolation reinforcement, especially the technical m
7、easures of viscous damper applied between the pier, girder and abutment, provides a good solution for the reinforcement of bridges. Not only effect of the reinforcement is obvious and the cost is low, but also, the practicability is high and the traffic impact is low. In addition, it is suitable for
8、 application. Also, the optimization of the dampers location and design parameter need to be taken into account during the designing process of dampers. It needs to be noticed that the target displacement should be distinct and the increased partial demand of force caused by the connection component
9、s in the process of reinforcement designing. Keywords: fluid viscous damper; seismic strengthening; practical application; application prospect 作者简介:陈永祁,男,美国,CE0&高级工程师,美国纽约州立布法罗分校工程博士,主要研究方向为地震结构保护系统(E-mail: ) 1前言 截至2011年底,我国在役的公路桥梁总数达 68.9 万座。这些桥梁按建造年代考虑,1990 年全国桥梁总数约为16.8万座,2000 年约为23.1万座,到2008 年底
10、为59.5 万座 1990年之前桥梁( 占总数的 24%) 绝大多数位于等级较低的公路上,这些桥梁建造时有的没有进行抗震设计,有的是按照早期房屋建筑规范中抗震相关条文或 1977公路工程抗震设计规范试行稿进行抗震设计的; 1990 2008 年期间建造的桥梁,大约 42.7 万座桥梁( 占总数的 62%) 基本都是依据 1989 年颁布的公路工程抗震设计规范( 简称 89 规范) 进行抗震设计的。2009 年起建造的桥梁,基本都是按照 2008年颁布的公路桥梁抗震设计细则( 简称 08 细则) 设计的。随着公路08细则1城市桥梁抗震设计规范2的颁布,城市防灾规划要求的提升,对城市立交桥的抗震性
11、能继而提出更高要求,即城市桥梁应保证在罕遇地震下维持正常交通功能9。 因此,公路桥梁应尽快展开维修加固,使城市交通基础设施在地震灾害中保证使用功能,维护人民生命财产安全。 2既有桥梁地震易损特点和抗震加固原则 截至2008 年底,我国建造并运营的公路桥梁总数大约有59.5 万座桥梁,占当前既有公路桥梁总数的62%。这些桥梁大部分是依据“89 规范”进行抗震设计的。与“08 细则”相比,这些既有公路桥梁存在的地震易损特点主要体现在以下几个方面: 1) 既有公路桥梁是依照单一水准即多遇地震进行抗震计算、设计和检算的,而我国当前公路桥梁是依据两级设防地震水准进行抗震设计的。2) 与“08 细则”相比
12、较,上述年代建造的既有桥梁在延性构造如箍筋约束、纵筋间距、纵筋搭接、锚固长度、抗剪和盖梁配筋、框架桥墩节点区域构造要求均存在一定不足,将导致桥墩延性能力不足,框架节点区域也可能遭受破坏。 3) “08 细则”对防落梁装置和挡块设置提出了更高要求,特别是对跨径小于 40 m 的梁式桥,这意味着既有桥梁的防落梁搭接长度相对不足,存在较高的落梁破坏风险。 另外,根据专家在北京设计的经验在城市立交桥梁中看出,存在以下问题:1) 高墩纵向钢筋配置不均时,在变截面处加密箍筋,否则会导致抗弯能力不足,发生弯曲破坏。2) 矮桥墩要保证抗剪力足够,否则会发生脆性断裂。3) 目前抗震挡块的抗冲击力不足,应适当予以
13、提高。4) 马甸桥、东便门桥、天宁寺桥等市政桥梁,均不同程度存在设防地震或罕遇地震下桥墩抗弯承载能力不足4。 根据以上易损性地特点,如下桥梁抗震加固原则被提出: 首先,应从体系抗震加固角度出发,依据识别的抗震薄弱部位或构件,讨论经济有效的加固方案,并从提高桥梁各构件的抗震能力( 强度和延性能力) 和减低地震对桥梁结构的地震需求( 减隔震) 两方面出发,来探讨各种可能的有效加固方案。 其次,在体系抗震加固方案比选的基础时需同时考虑桥梁正常使用条件的限制。 3桥梁抗震加固方法 目前从桥梁结构体系角度出发的抗震加固方法主要有:(1)梁连续化、质量轻型化方法(2)常规抗震加固方法(3)减、隔震加固技术
14、(4)改变现有结构体系加固法(5)防落梁构造加固方法。虽然抗震加固有种种方法,但对某具体工程,往往需要在技术、经济、施工等的可行性中进行反复论证,才能提出合理可行的方案。另外,于2014年2月21日由住房城乡建设部推出关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的条文中提出,近年来,随着建筑工程减震隔震技术研究不断深入,我国一些应用了减隔震技术的工程经受了汶川,芦山等地震的实际考验,保障了人民生命财产安全,产生了良好社会效益。实践证明,减隔震技术能有效减轻地震作用, 提升房屋建筑工程抗震设防能力。并且提出了加强宣传指导,做好推广应用工作,加强设计管理,提高减隔震技术应用水平,加强施工管理,保证减隔震工程
15、质量的等具体要求。可见未来的抗震加固趋向将主要围绕减隔震加固技术展开10。 4市政桥梁粘滞阻尼器加固的典型案例 这部分,笔者将之前参与的三个工程即北京的阜成门桥,德胜门桥,安定门桥进行有关粘滞阻尼器抗震加固方案的研究进行分析,并且其中阜成门桥。笔者主要侧重于抗震效果和经济性分析方面展开,德胜门和安定门主要就抗震的参数优化方面进行分析。 4.1案例一北京阜成门桥4 4.1.1模型建立 采用空间结构有限元建立该桥的有限元动力计算模型,以顺桥向为x轴,横桥向为y轴,竖向为z轴。主梁、墩柱、单桩采用梁单元模拟,桩周围采用土弹簧模拟桩土相互作用。全桥计算模型如图1。 图1 阜成门桥抗震分析模型 Fig.
16、1 the FEA model of Fu Cheng Men Bridge 4.1.2现况桥梁抗震能力分析 根据公路08细则,可确定E1地震(50年超越概率63)、E2地震(50年超越概率2)设计水平加速度反应谱如下图2所示。以设计反应谱为目标谱,生成人工地震波如图3、4所示。并得出现况桥梁地震反应如表1。 图2 阜成门桥设计地震反应谱(2008年版抗震细则) Fig.2 The earthquake response spectrum of Fuchengmen Bridge 图3 E1工地震时程 图4 E2人工地震时程 Fig.3 The artificial waves of E1-l
17、evel earthquake Fig.4 The artificial waves of E2-level earthquake 表1 现况桥梁地震反应 Table 1 Seismic responses of the current bridge 地震水平 墩柱名称 剪力(kN) 抗剪能力(kN) 弯矩(kN?M) 抗弯能力(kN?M) 梁端位移(cm) E1纵向+竖向 固定墩 264 178 1256 1080 4 活动墩 17 116 51 689 固定墩桩 691 304 1569 1012 活动墩桩 36 247 84 530 E2纵向+竖向 固定墩塑性转铰 不满足现行延性构件的构
18、造要求 15 4.1.3阻尼器加固后抗震能力分析 经过设计经验总结,采用减震技术对整体结构进行抗震加固。即在桥梁两端的主梁与桥台之间安装液态粘滞阻尼器,通过阻尼器耗散地震能量,使固定墩分担的地震力显著减小。达到即使在罕遇地震作用下,固定墩在原有配筋条件下处于弹性阶段,确保地震中不损伤。由单柱墩抗弯能力与墩顶位移的相关关系,可以确定墩顶的极限位移为1.5cm。以此作为罕遇地震下结构目标位移,结合主梁横断面情况,按照工程经验在两侧桥台各设置10个阻尼器,初步拟定阻尼器参数选取范围:C=7001200kN•(s/m) ,=0.20.6,在此范围进行阻尼器参数比选分析。最终确定阻尼器参数为
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