桥梁减隔震设计

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4、减隔震系统的配套设计
伸缩装置设计 桥梁结构是三维的空间结构物，在包括外界各种因素在内 的诸多作用下将会产生 6 个自由度的变位（三个方向的线 变位和三个方向的角变位）。因此，安装在梁端的伸缩装 置应该具有适应这样变位的功能。
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4、减隔震系统的配套设计
桥梁的多向变位
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4、减隔震系统的配套设计
公路桥梁减隔震设计方法讲座 —铅销橡胶支座设计与分析—
长安大学 刘健新 教授
1、前言
08公路桥梁抗震设计细则规定了桥梁减隔震设计
采用减隔震技术进行设计的桥梁，应满足下列条件之一： (1) 桥墩为刚性墩，桥梁的基本振动周期比较短； (2) 桥梁高度不规则，当各桥墩高度相差较大，存在对某个墩 的延性要求很大时； (3) 桥址区的预期地面运动特性比较明确，具有较高的卓越频 率而在长周期范围内所含能量较低。
最大値：－238 gal ～ +136 gal
價儖1F丂N-S惉暘丂壛懍搙 500 400 嵟戝抣:136.081 嵟彫抣:-237.607
1 階 床 上
300 200 100 怳暆 0 -100 -200 -300 -400 -500 0 5 10 15 20 帪娫(sec) 25 30 35 40
地震作用下桥梁梁端的多向位移响应
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伸缩装置常见的病害
4、减隔震系统的配套设计
伸缩装置伸缩不均
横梁下陷变形、装置表面凹凸不平
中 梁 断 裂
连 杆 折 断
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4、减隔震系统的配套设计
为配合铅销橡胶支座的设计，采用能够适应多向变位LB240模块式 梳齿型伸缩装置，该装置具有多向平动、立面及平面旋转功能。横桥 向每米分割成一模块，将水平转角所造成的极大的梁端间距差化整为 零，克服装置塑性断裂变形。
最大値：－403 gal ～ +489 gal
柶恔婎慴晹 N-S惉暘丂壛懍搙 500 嵟戝抣:488.753 嵟彫抣:-402.696
隔震结构变位约10cm
免 震 基 礎 部
400 300 200 100 怳暆 0 -100 -200 -300 -400 -500 0 5 10 15 20 帪娫(sec) 25 30 35 40
方向 横桥向 顺桥向 PRB方案 0.70 0.61 LRB方案 1.42 1.13
中震加速度反应谱
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桥墩抗弯能力
中墩配筋图
中墩M-φ曲线（横桥向）
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E1地震反应
E1地震下的弹性反应谱分析表明： PRB支承方案由于在顺 桥向和横桥向分别只有两个桥墩承担水平地震力，导致该 桥墩弯矩响应大大超过了弹性状态，不能满足抗震设防标 准；而LRB支承方案在横桥向和顺桥向都有4个中墩共同 承担水平地震力，桥墩处于弹性，满足抗震设防标准。
E2地震响应对比表
结构 PRB方案 LRB方案 梁体位移 （mm） Dx 64.5 94.1 Dy 72.0 96.2 墩底弯矩(kN·m) My 38610.0 31950.0 Mz 44679.8 35010.0
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PRB方案中墩M-φ响应（顺桥向）
LRB方案中墩M-φ响应（顺桥向）
LRB支座滞回图（顺桥向）
LB240模块式梳齿型伸缩装置
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4、减隔震系统的配套设计
连梁装置 当结构遭遇到超过设计大震的强震时，由于铅销橡胶支座 的滞回耗能，梁体位移显著增大，如果伸缩缝处梁搁置长 度不足，当墩梁之间产生超出预期的过大相对变位时，会 出现主梁脱座甚至落梁的震害，为使墩梁的相对变位不致 达到梁的搁置长度，防止落梁的发生，多采用连梁装置将 伸缩缝两侧的主梁或墩梁相连。
Qd的取值 （取决于铅销的面积） 一般取Qd=0.05~0.1W 来设计 W：支座的设计承载力
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3、 算例
结构总体布置图
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工程概况
某大桥跨径组合为40m+60m+40m的连续梁，桥面宽度 20.5m，主梁采用单箱三室截面，C50混凝土，边墩截面为 2m×2.5m，高度分别为9.8m和8.9m，中墩为2.5m×3m，高 度分别为7.5m和7.3m，桥墩采用C30混凝土。原设计方案 中墩采用20000KN盆式橡胶支座。
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2、隔震支座的减、隔震原理
周期延长地震力输入降低 阻尼增加地震力输入降低
周期延长位移响应增大 阻尼增加位移响应降低
(a) 加速度反应谱
(b) 位移反应谱
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2、隔震支座的减、隔震原理
1 延长周期、增加阻尼降 低地震输入（隔震） 2 水平力分散
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2、隔震支座的减、隔震原理
铅销橡胶支座的构造
利用隔震支座的滞回耗能特性延长 结构周期并耗散能量，避免能量在 结构内聚集二产生破坏。
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地震动参数
地震动参数表 设防地震 E1 E2 50年超越 概率 10％ 2％ 峰值加速度 （g） 0.209 0.370 抗震性能 弹性 有限延性
中震加速度反应谱
大震加速度时程
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铅销橡胶支座的设计与分析
铅销橡胶支座的设计参数
根据支座竖向承载力 W及正常使用状态的下的变位要求等参数，初步确 定LRB支座的面积、橡胶层的厚度等进而确定其屈服力Qd、K2及K1等力学参 数。 铅销橡胶支座尺寸及参数表
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2、隔震支座的减隔震原理
非减隔震结构 减隔震结构效果对比
减隔震结构
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2、隔震支座的减隔震原理
最大値： －234 gal ～ +159 gal
價儖7F丂N-S惉暘丂壛懍搙 500 400 嵟戝抣:159.017 嵟彫抣:-233.836
7 階 の 屋 上
300 200 100 怳暆 0 -100 -200 -300 -400 -500 0 5 10 15 20 帪娫(sec) 25 30 35 40
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LRB的计算模型
K2=GAR/∑t G:橡胶的剪切模量 ；AR：支座的面积； ∑t：橡胶层总厚度 K1的取值 有研究者提出了 K1=（180 Qd /W+1）K2 计算公式 Qd: LRB的屈服力；W：支座的设计承载力
新西兰和日本的研究表明LRB的初始刚度K1大约是屈服后刚度K2的 3.5~15倍。日本取K1 = 6.5K2，新西兰取K1 = 10K2，多数文献研究表明，后者 取值较为合理。
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4、减隔震系统的配套设计
由于铅销橡胶支座的滞回作用，梁体的位移显著增加，在考虑双向地 震动激励下梁体将产生多方向的大位移，传统的伸缩装置难以满足结 构各方向变位的需要，必将限制铅销橡胶支座的滞回耗能作用，从而 降低其隔震耗能作用，导致桥墩承担的地震力增加，结构出现塑性破 坏。在结构遭遇到极为罕见的大震时，上部结构由于产生过大的位移 导致梁体脱离支座甚至桥墩，为防止落梁，需要综合考虑梁端伸缩装 置和防落梁装置的配套使用。
隔震结构加速度响应较基础减少50%
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2、隔震支座的减、隔震原理
应根据分级设防、两次设计的原则同时考虑大震和小震等 级的地震力； E1地震：进行强度设计； E2地震：极限承载能力和延性变位的校核；
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LRB的计算模型
由国内外和课题组大量的LRB拟动力试验研究所得 的资料表明LRB骨架曲线和滞回曲线可以采用双线性, 对称非退化模型。
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1、前言
下列条件下，不宜采用减隔震技术进行设计。 （1）地震作用下，场地可能产生失效； （2）下部结刚度小，桥梁的基本周期比较长； （3）位于软弱场地，延长周期可能引起地基和桥梁共振； （4）支座中可能出现负反力。
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1、前言
整体型减隔震支座包括： （1）铅芯橡胶支座 （2）高阻尼橡胶支座 （3）摆式减隔震支座； 分离型减隔震支座包括： （1）橡胶支座+软钢阻尼器 （2）橡胶支座+摩擦阻尼器 （3）橡胶支座+粘性材料阻尼器
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4、减隔震系统的配套设计
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4、减隔震系统的配套设计
ຫໍສະໝຸດ Baidu
连梁装置安装照片
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中震下墩底弯矩响应（kN m）
方向 横桥向 顺桥向 PRB方案 111058 154728 LRB方案 屈服弯矩 21472 21602 40570 34790
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E2地震反应
E2地震下的非线性时程分析表明，LRB支座可代替墩底作 为体系的第一塑性区进行能量耗散，保证桥墩基本处在弹 性状态，满足抗震设防标准。
设计参数指标 支座尺寸(mm) 铅销直径(mm)×根数 橡胶层总厚度(mm) 一次刚度k1(kN/m) 二次刚度k2(kN/m) 屈服力Qy(kN) 数值 1130×1130 180×4 161 87143 6987 1068 16
铅销橡胶支座的设计与分析
铅销橡胶支座
铅销橡胶支座安装照片
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铅销橡胶支座的设计与分析
分析模型 1）非隔震桥 支座采用盆式橡胶支座（PRB）。主梁、桥墩采用梁单 元，墩底固结，墩梁间采用弹簧单元连接。 2）隔震桥 中墩支座采用铅销橡胶支座（LRB），边墩聚四氟滑板支 座。主梁、桥墩采用梁单元，墩底固结，墩梁间采用非线 性弹簧单元连接。
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动力特性
采用LRB支承方案能够显著延长结构的固有周期，远 离地震能量集中的频率区段，达到隔震的效果。 结构固有周期(s）