城市高架桥梁结构的减震研究教学提纲

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除城市高架桥梁结构的减震研究韩凤丽北京交通大学力学系1研究的必要性地震是一种自然灾害，危害性极大。自从人类文明开始以来，地震灾害就不断发生，造成大量人员的伤亡以及建筑物、桥梁等结构的破坏或倒塌。大量文献资料记述了历史上和近代发生的破坏性地震，如1976年发生在我国的唐山大地震等。这些地震均造成较大的人员伤亡和大量建筑物、桥梁、基础设施等的破坏、倒塌。其中一些地震发生在城市附近，由于基础设施、桥梁结构等的破坏或倒塌，造成交通中断，切断震区生命线，次生灾害十分严重，导致了巨大的经济损失。因此，建立一种安全经济可靠的抗震设计，应用安全可靠的抗震措施，有效抵御某种程度的灾难性大地震，一直是结构工程抗震界面临的一个挑战性课题。我国地处两个最活跃的地震带太平洋地震带和欧亚地震带中间，是世界上地震最多的国家之一。目前又正处于第五个地震活跃期，地震灾害威胁着人民的生命财产安全，为防御和减轻地震灾害，有必要对桥梁结构进行抗震分析和设计。2 城市高架桥的特点轨道交通高架形式是城市交通的一个重要组成部分。从减少工程投资、降低运营成本等方面考虑，在环境允许的条件下，城市轨道交通采用高架线路的敷设方式是合理的。与公路桥梁相比，轨道交通高架桥梁在设计荷载、设计标准、设计参数和计算方法等方面都有较大差别；即使与干线铁路相比，也有许多不同之处。轨道交通高架桥梁与公路、干线铁路桥梁设计的一些区别总结如下：(1) 设计荷载：与干线铁路桥梁相比，城市轨道交通高架结构上作用的列车活载小、设计车速低、行车密度高。与公路荷载相比，由于公路车辆的多样性，其轴重和轴距以及行进中前后车辆的车距都具有较大的随机性。而轨道交通高架桥荷载具有轮轨交通共有的特征，即轴重、轴距相对有规律地排列及其对桥梁相对有规律地作用。轨道与桥梁的相互作用荷载是轨道交通桥梁的一个特有荷载。这些相互作用力一般为纵向力。城市轨道交通高架结构上经常采用整体道床和碎石道床轨道结构形式以及无缝线路，采用无缝线路的高架结构，要根据桥梁与轨道组成的动态力学平衡体来反映无缝线路长钢轨与结构间的相互作用及其对结构的要求，这是轨道交通高架结构设计区别于一般干线铁路结构设计的最大特点。(2) 设计标准：桥梁刚度限值是轨道交通高架桥梁设计中的一个重要参数。地铁设计规范规定了轨道交通钢筋混凝土和预应力混凝土高架桥梁的竖向刚度限值，用挠跨比形式表示。轨道交通高架桥梁桥面经常采用的是承轨台构造形式的明桥面，其梁部的上拱度变形直接影响着钢轨的变形，徐变大小分析计算是一个复杂的过程。控制梁的徐变上拱度主要通过控制梁的竖向刚度设计参数、预应力度以及混凝土等级等实现。(3) 常见构造：城市轨道交通高架结构上的活载形式、作用性质、桥面布置、一般构造要求等与干线铁路桥梁比较相似，因此在常见构造上，高架结构的设计原理与计算方法主要依照较完整、成熟的现行铁路桥涵设计规范执行。(4) 抗震设计：在双层高架桥抗震设计中，必须将上下墩柱作为延性构件设计，并将上下墩柱和上下横梁、节点按能力设计保护。如果双层高架桥位于交通重要网络上，除精心设计外，还应进行双层高架桥单墩大比例尺寸模型的横向伪动力推倒试验，以确保结构抗震安全。3对高架桥梁结构的减震研究桥梁震害现象与教训，不断推动着桥梁抗震理论发展。地震作用力实质是结构自身的惯性力，桥梁结构质量主要集中在梁部，地震力作用于梁上，而后传递到墩柱。桥梁结构的破坏主要发生在桥墩，而桥墩的破坏反过来引起整个桥跨结构破坏，甚至倒塌。所以，保护桥梁结构免受地震破坏，应当集中在减小桥墩所承受的作用方面。在满足桥梁使用功能的前提下，一方面可以加强梁部和墩柱的联结，将地震力分配到各个墩上，减少固定墩的内力；另一方面可以应用耗能装置，将地震能量消耗掉，从而减小墩的内力。普通板式橡胶支座可以起到减隔震的作用。作者结合北京城市铁路八达岭高架桥段设计图，应用有限单元方法，建立了其中2联桥梁的动力计算模型。在此基础上建立相应的动力计算方程，并转化为状态空间下的方程进行求解。在不同的支座刚度情况下，综合应用频率响应分析、时程响应分析和功率流方法，分析了结构应用普通板式橡胶支座后的性能，主要结论如下：(1) 换用普通板式橡胶支座后，支座水平向刚度变化引起结构固有频率变化，发生变化的是墩柱的固有频率，属于梁的固有频率和固定盆式橡胶支座连接的墩柱的固有频率基本没变化，即支座刚度变化只影响桥梁水平向固有频率；(2) 换用普通板式橡胶支座后，改变了高架桥梁结构的水平向联系，墩柱受力重新分配，受力大的固定墩频率响应减小，受力小的活动墩频率响应增大。水平向联系越强，频率响应变化越大；同时由于支座联系作用，联间共用墩同时参与2联的运动，响应反映为2联的迭加；(3) 板式橡胶支座增强了桥梁结构的联接，使各联之间响应发生耦合，自身频率响应越大，对其他联的影响也越大；梁和桥墩的联结增强，从而提高了高架桥梁结构的整体作用，使得梁和桥墩共同承受外力作用；(4) 地震波激励下，固定墩位移时程响应减小，换用支座的活动墩响应增大，和频率分析相互印证。同种地震波激励下，普通板式橡胶支座水平刚度对位移时程响应最大值影响不大。反映出地震激励属于宽频激励，是多种频率激励共同作用的结果，而不是仅限于单一频率激励；(5) 当结构自振远离地震波的卓越周期时，响应比较小；当自振周期与地震波的卓越周期接近时，响应比较大，应用普通板式橡胶支座以后，不仅增强了结构的整体作用，也改变了结构自振周期。当地震卓越周期接近结构体系的自振周期时，减震效果比较好；(6) 应用普通板式橡胶支座后，结构整体作用加强，使得功率流得到“分流”，将原来流入固定墩的功率流，分担到各个活动墩上。使得梁和桥墩共同承受外力作用，从而提高了高架桥梁结构的整体作用，提高了结构的减震性能；(7) 材料的损耗因子反映材料的耗能能力，损耗因子越大，耗能能力越强，使用高阻尼支座后，桥梁结构整体的耗能作用增强了，提高了结构的整体抗震性4研究展望传统的抗震设计依靠增加结构自身的强度或者变形能力，响应的结构设计比较繁琐。作为一种减隔震装置，橡胶支座以其成本低廉、安装方便等优点为工程界所接受。本文结合桥梁模型，对橡胶支座减隔震性能的进行分析，得到一些有益的结论。作者的这些工作，为橡胶支座继续深入的研究提供一定的参考。此文档仅供学习和交流