隔震结构设计

桥梁结构隔震振动控制分析报告

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专业：桥梁与隧道工程

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2011.06.07

第一章  设计资料

1.1 东涌大桥概况

本设计中采用广州市番禺区东涌大桥工程的东涌大桥部分为例进行分析计算。东涌大桥横跨骝岗水道，单孔双向通航，通航等级V(3)级，全桥跨径总长650m，分为主桥和引桥两部分,主桥为65+100+65m的预应力砼连续箱梁，南、引桥均为7x30m的先简支后连续预应力小箱梁。

1.2 技术标准

1）公路等级：二级公路(同时满足城市主干路I级)

2）计算行车速度：60km/h

3）桥梁设计荷载：公路-I级（兼城-A级）

4）桥宽：

主桥——上部采用双幅分离式，全宽25m＝0.5m（人行护栏）+3m（人行道）+8m（行车道）+0.5m（防撞栏）+1m（分隔带）+0.5m（防撞栏）+8m（行车道）+3m（人行道）+0.5m（人行护栏）；

引桥——上部采用分离式，全宽25m＝0.5m（人行护栏）+3m（人行道）+8m（行车道）+0.5m（防撞栏）+1m（分隔带）+0.5m（防撞栏）+8m（行车道）+3m（人行道）+0.5m（人行护栏）；

5）坡度：车行道双向2%横坡，人行道1%横坡倾向车行道；南北岸桥面纵坡均为3.75%。

6）平纵线型：

平面： YZ点K1+821.之前的北岸引桥部分位于JD2的圆曲线内，YZ点K1+821.之后北岸引桥部分位于直线段；主桥和南岸引桥均位于直线段。

纵面：凸曲线半径R＝3000m，T＝112.5m，E＝2.109m。

7）设计洪水频率：P＝1/100。

8）通航净空及通航水位：主桥主跨100m跨越骝岗水道，通航等级V(3)，单孔双向通航，通航净高8m，净宽80m，侧高5.5m，上底宽72m；最高通航水位为黄海高程3.2m。

9）地震基本烈度：VII度。

10）坐标及高程系统：1954年北京坐标，1956年黄海高程。

图1.1 东涌大桥立面图（单位：cm）

图1.2（a）A-A截面图（单位：cm）

图1.2（b）B-B截面图（单位：cm）

图1.2（c）C-C截面图（单位：cm）

1.3 设计规范

1)《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）。

2)《公路路线设计规范》（JTJ D20—2006）。

3)《城市道路设计规范》（CJJ 37—90）。

4)《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）。

5)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）。

6)《城市桥梁设计准则》（CJJ 11—93）。

7)《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ 77—98）。

8)《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024—85）。

9)《公路桥位勘察设计规范》（JTJ 062—91）。

10)《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004—）。

11)《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）。

12)《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T4—2004）。

第二章  桥梁隔震设计

2.1隔震结构基本原理

    在桥梁基础与上部结构之间设置隔震装置(或系统)形成隔震层，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输，以减少桥梁的地震反应，实现地震时隔震层以上主体结构只发生微小的相对运动和变形，从而使桥梁在地震作用下不损坏或倒塌，这种抗震方法称之为桥梁基础隔震。隔震系

统一般由隔震器、阻尼器等所构成，它具有竖向刚度大、水平刚度小，能提供较大阻尼的特点。 

基础隔震的原理就是通过设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减小，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态从而使桥梁不产生破坏或倒塌。

2.2叠层橡胶隔震支座

叠层橡胶支座是由薄橡胶板和薄钢板分层交替叠合，经高温高压硫化粘结而成，如图2.1所示。由于在橡胶层中加入若干块薄钢板，并且橡胶层与钢板紧密粘结，当橡胶支座承受竖向荷载时，橡胶层的横向变形受到上下钢板的约束，使橡胶支座具有很大的竖向承载力和刚度。当橡胶支座承受水平荷载时，橡胶层的相对位移大大减小，使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳，并且保持较小的水平刚度(竖向刚度的1／500～1／1000)。并且，由于橡胶层与中间钢板紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定拉力。因此，叠层橡胶支座是一种竖向刚度大，竖向承载力高，水平刚度较小、水平变形能力大的隔震装置。

橡胶支座形状可分为圆形、方形或矩形，一般多为圆形，因为圆形与方向无关。支座中心一般设有圆孔，以使硫化过程中橡胶支座所受到的热量均匀，从而保证产品质量。

图2.1  叠层橡胶支座

根据叠层橡胶支座中使用的橡胶材料和是否加有铅芯，叠层橡胶支座可分为普通叠层橡胶支座和铅芯叠层橡胶支座。

1、普通叠层橡胶支座    

普通叠层橡胶支座是采用拉伸较强、徐变较小、温度变化对性能影响不大的天然橡胶制作而成。这种支座具有高弹性、低阻尼的特点。图2.2所示为其滞回曲线。为取得所需的隔震层的滞回性能，普通叠层橡胶支座必须和阻尼器配合使用。

   

 图 2.2普通叠层橡胶支座的滞回曲线          

2、铅芯叠层橡胶支座

    分层橡胶支座的主要缺点是阻尼很小，有时在较低水平力作用下(如制动力等)，由于支座较柔，文座变形也可能较大。如果在分层橡胶支座中插入铅芯，则可得到一个紧凑的隔震装置，铅芯提供了地层下的耗能和静力荷载下所必须的屈服强度与刚度，在较低水平力作用下，因具有较高的初始刚度，其变形很小，在地震作用下，由于铅芯的屈服，一方面消耗地层能量，另一方面，刚度降低，达到延长结构周期的目的。因而满足一个良好隔层系统所应具备的要求，图2．3给出铅芯橡胶支座的构造示意图。

铅芯具有良好的力学特性，能与分层橡胶支座较好的结合，使其成为一种比较合适的减隔震材料。其具有较低的屈服剪力[约10MPa，具有足够高的初始剪切刚度[G近似为130MPa]，性能为理想弹塑性且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能。此外，易于得到纯度较高的铅(99.99％)，使其力学性能比较可靠，图2.4给出铅芯橡胶支座的滞回曲线图。

我国目前使用最普遍的是铅芯叠层橡胶支座和普通叠层橡胶支座亦有。

  

      图2.3铅芯叠层橡胶支座的构造       图2.4铅芯叠层橡胶支座的滞回曲线

2.3叠层橡胶隔震支座选择与布置

1、隔震支座选择

根据叠层橡胶支座隔震技术规程CECS126：2001第四章中的要求，橡胶隔震支座的压应力既是确保橡胶隔震支座在无地震时正常使用的重要指标，也是直接影响橡胶隔震支座在地震作用时其他各种力学性能的重要指标。它是设计或选用隔震支座的关键因素之一。在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值，不应超过表2-2的规定，在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。

注：①对需验算倾覆的结构，平均压应力应包括水平地震作用效应：

 ②对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向地震作用效应；

③当橡胶支座的第二形状系数(有效直径与各橡胶层总厚度之比)小于5.0时，应降低平均压应力限值；直径小于300mm的支座，其平均压应力限值对丙类建筑为12MPa。

规定隔震支座中不宜出现拉应力，主要是考虑以下因素：

①橡胶受拉后内部出现损伤，降低了支座的弹性性能；

 ②隔震支座出现拉应力，意味着上部结构存在倾覆危险；

③橡胶隔震支座在拉伸应力下滞回特性实物实验尚不充分。

2、根据模型计算，本桥选择两种支座LRB800-160和LRB1200-240两种支座。在边墩上各设两个LRB800-160支座，在主墩上各设两个LRB1200-240支座。

第三章 桥梁有限元计算模型

3.1 工程概况

该桥位于某7度区一级公路上，水平向基本地震加速度值0.15g。按《中国地震动反应谱特征周期区划图》查的场地特征周期为：0.4s。

3.2 桥梁类型

1、判断桥梁类型

分为A类、B类、C类和D类四个抗震设防类别，分别对应不同的抗震设计标准和设防目标。

桥梁抗震设防类别	使用范围
A类	单跨跨径超过150m的特大桥
B类	单跨跨径不超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁， 单跨跨径不超过150m的二级公路上的特大桥、大桥
C类	二级公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上的特大桥、大桥
D类	三、四级公路上的中桥、小桥

此桥跨径为100M，因此，为B类桥梁，墩高没超过30M，确定桥梁为规则桥梁。

2、确定设防烈度

	6级	7级		8级		9级
	0.05	0.1g	0.15g	0.2g	0.3	0.4g
Ⅰ	1.2	1.0	0.9	0.9	0.9	0.9
Ⅱ	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
Ⅲ	1.1	1.3	1.2	1.2	1.0	1.0
Ⅳ	1.2	1.4	1.3	1.3	1.0	0.9

此桥为二类场地，七度区，取0.15g

3、确定土层平均剪切坡度

根据《规范》土层剪切波计算公式计算得到土层平均剪切坡速为430m/s，由《规范》得场地为二类场地。

5、液化判别

判断地基不液化，不需进行抗液化措施。

3.3 确定桥梁分析方法

桥梁抗震分析可采用的计算方法

地震作用	B类		C类		D类
	规则	非规则	规则	非规则	规则	非规则
E1	SM/MM	MM/	TH	MM/TH	SM/MM	MM
E2	SM/MM	TH	SM/MM	TH	——	——

表中：TH:代表线性和非线性时程计算方法，SM:单模态反应谱和功率谱方法，MM:多模态反应谱和功率谱方法。

采用MM分析方法。

3.4 地震作用参数

新规范中规定，各类桥梁的地震作用应按下列原则考虑：(1)直线桥可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用；（2）曲线桥应分别沿相邻桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多方向地震输入，以确定最不利地震水平输入方向；（3）设防烈度为8度和9度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，应同时考虑竖向地震作用。（4）地震作用分量组合，按1+0.3+0.3的方式组合；（5）地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震时程和设计地震动功率谱表达。

水平设计加速度反应谱如图1所示，设计加速度反应谱最大值如下式

式中，Ci为重要行系数、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。

水平设计加速度反应谱

1) 确定重要性系数： Ci

各类桥梁抗震重要性系数Ci

桥梁类别	E1地震	E2地震
A	1	1.7
B	0.43(0.5)	1.3(1.7)
C	0.34	1
D	0.23	—

     得出该桥在E1地震作用下重要性系数为0.5，在E2地震作用下重要系数为1.7。

2) 根据根据基本烈度（非设防烈度）确定场地系数Cs，取Cs为1.0。

3) 确定设计基本地震动加速度峰值A：

抗震设防烈度和水平设计基本地震加速度值A

抗震设防烈度	6	7	8	9
加速度值	0.05g	0.10(0.15)g	0.20(0.3)g	0.40g

在设防烈度8度区，A值取为0.25g.

第四章 模型分析结果

4.1 分析结果

运用里兹向量法求出的是与三个平动地震动输入直接相关的前30阶振型，X 平动、Y 平动、Z 平动三个方向的振型参与质量分别是96.92％，94.91%，93.41％。满足规范上振型参与质量达到总质量90%以上的要求。

建立了两种有限元模型：分别为一般支座下模型、隔震支座下模型。

图4.1（a）一般支座约束下模型

图4.1（b）四个墩上设隔震支座约束下的模型

1、通过二个模型的分析计算，得出每种约束条件下模型的前30阶的频率和周期。

表4-1  两种模型前10阶频率和周期

	一般支座		隔震支座
模态号	频率	周期	频率	周期
	(cycle/sec)	(sec)	(cycle/sec)	(sec)
1	1.596508	0.626367	1.2E-05	85927.357832
2	3.173208	0.315139	0.523934	1.908637
3	6.552222	0.15262	0.605099	1.652622
4	10.944281	0.091372	1.045904	0.956111
5	12.860653	0.077757	1.0697	0.9379
6	15.438587	0.0773	2.356088	0.424432
7	21.328794	0.046885	6.236806	0.160338
8	22.243978	0.044956	6.742013	0.148324
9	36.435462	0.027446	11.679716	0.085619
10	36.819449	0.02716	16.807713	0.059496

通过以上表格数据对比可知：设隔震支座后，模型的周期明显放大。

2、以下给出了两种约束条件下每个模型的前五阶振型图，如图4.2~4.3。图4.2(a)~4.2(e)为模型在一般支座约束下的五阶振型。

图4.2(a)  一阶振型

图4.2(b)  二阶振型

图4.2(c)  三阶振型

图4.2(d)  四阶振型

图4.2(e)  五阶振型

图4.3(a)~4.3(e) 为模型在隔震支座约束下的五阶振型。

图4.3(a)  一阶振型

图4.3(b)  二阶振型

图4.3(c)  三阶振型

图4.3(d)  四阶振型

图4.3(e)  五阶振型

4.2 时程工况下内力分析

通过应用1940, El Centro Site, 180 Deg的地震数据进行时程工况下内力分析。

图4.4  1940, El Centro Site, 180 Deg地震数据

地震中，桥墩会直接受到地震的作用而破坏，地震作用下墩身剪力和弯矩的值是反映桥墩抗震能力的重要指标。以下列出了三种模型在地震下墩身的剪力和弯矩图。如图4.5~4.6，数据汇总于表5-2。

图4.5（a）一般支座约束下墩梁连接处的剪力图

图4.5（b）在一般支座约束下墩的弯矩图

图4.6（a）在隔震支座约束下墩梁连接处的剪力图

图4.6（b）在隔震支座约束下墩的弯矩图

表4-2 地震作用下墩身剪力及弯矩值

墩内力		一般支座	隔震支座
剪力	最大值（KN）	5.42E+01	8.12. E-01
	最小值（KN）	-5.42E+01	-1.19E+00
弯矩	最大值（KN.m）	5.47E+02	8.59E-01
	最小值（KN.m）	-5.47E+02	-1.02E+00

从表中数据可以得出，在地震作用下，设有隔震支座的模型的桥墩受力情况明显优于在一般支座下的桥墩受力。

第五章 结论

通过以上对比分析，说明使用隔震支座还是有比明显的隔震作用。通过加铅芯橡胶支座，使桥梁在地震作用下的周期延长，在地震时桥墩的剪力和弯矩减小。这都是可以提高构件的抗震能力的。加了隔震支座不可避免使桥的位移加大，如果超出允许范围需要采取措施对位移进行。