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1、铁路隔震桥梁隔震支座参数优化分析与地震响应分析第1章绪论1.1减隔震技术原理我国位于两大地震带上，由此可见，我国的地震之多。地震作为一个自然灾害，在我国时有发生，而且强度大，范围广，伤亡多，给我国带来了巨大的灾难。尤其是最近几年，大地震连续不断，台湾的集集地震、汶川地震等等，给我们带来深重的危害1。科学技术的发展，给土木这个古老的专业又带了新的无限生机。进入二十世纪以来，新材料的发展，给桥梁建设提供了新的发展动力。越建越长的桥梁，越来越多的桥梁形式，都意味着这个行业的蓬勃生机。随着跨越能力的增大，桥梁许多新的问题，也随之出现。抗震就是其中的重中之重。最近几十年以来，特别是点子计算机技术在仿真学
2、上的应用，对于大跨结构的抗震分析提供了技术支持。地震工程的理论与实践都在飞速的发展。基于桥梁抗震设计的结构控制技术，开始在我国桥梁工程界得到日益重视，并逐步开展了桥梁减隔震设计研究工作。目前，我国的铁路工程和公路工程抗震设计规范正在重新修订，而城市桥梁抗震设计规范正在编制2345。虽然桥梁的抗震得到了巨大的进步，但是最近这几年大地震后，桥梁的倒塌依然是非常严重的。而桥梁不光是一个工具，它往往在震后的抗震救灾中扮演着枢纽的作用，所以一旦桥梁遭到破坏，无法通行，必将增大震后的救灾难度，甚至无法进行救灾，这势必增大地震带来的损失，增加人员的伤亡。由此可见，桥梁抗震的重要性。但是对于地震作用，一直以来
3、的观念都是侧重于“抗震”，即通过结构设计，不断增强结构自身的抵御地震带来的破坏作用的能力，来达到桥梁的抗震目的。当然，通常来说，设计人员通过结构整体以及结构各构件的设计来保证达到抗震的要求也是可行的，但是因为如此的抗震设计偏重于直接的“抗震”，必然会给结构自身以及构件本来带来无法挽救的损伤。特别在某些特殊的情况下，仅仅采用抗震的方法，是无法避免结构损坏的。所以，循着这种思路，抗震向着另一条路走去，那就是减隔震延性抗震，例如，基于减隔震装置的结构控制技术等。传统的抗震设计，偏重于结构自身的强度、刚度，必然会增加建筑的造价，而结构控制技术却不失为一种很好的方法，不但可以提高桥梁的抗震性能，而且还能
4、节省造价。从当今桥梁及建筑结构的发展来看，各种减隔震支座或装置层出不穷，这又为抗震带来了新的契机。从目前的来看，结构控制技术最重要的就是减隔震技术，它不但方便、实用，而且非常先进、经济。1.2减隔震系统的组成通过前面的分析可知减隔震的技术原理，柔性支承、阻尼装置和构造措施三部分共同组成了一个完整的结构减隔震系统。但是，这三个部分可以组合在一个共同体里面也可以分别设置中三个不同的个体。1.2.1柔性支承装置目前，在各类型结构中，最常见的柔性支承为橡胶支座。但是橡胶支座刚开始在桥梁结构中的应用，并不是为了延长结构的周期，而是了满足正常使用状态下温度等因素产生的位移要求。虽然橡胶支座在实际工程中的应
5、用已经得到了广泛的赞誉，但是随着技术的发展的，各种不同形式的柔性支承还是不断的出现，如，如滚轴、滑板、缆索悬吊、柔性套管桩等6。1.2.2阻尼装置阻尼不仅能够消耗地震带来的能量又来限制结构的位移变形。而且阻尼装置也有各种不同的类型，例如黏滞阻尼、液压摩擦阻尼；低碳钢制成的扭梁、悬臂弯曲梁等耗能装置；铅制成的铅挤压和铅纯剪切变形装置，他们的工作原理不一样的，前面两种的工作原理是摩擦耗能，而后面工作原理是滞回耗能。而滞回阻尼是最有效的耗能方式。它的特点就是在于利用材料的塑性变形，因为材料的变形有两部分组成，一是弹性，二是塑性。在材料塑性的变形过程，地震带来的能量就被材料的吸收了。摩擦耗能在于阻尼装
6、置在地震作用时，通过装置的摩擦来消耗能量，但是它与滞回阻尼相比有一个很大的缺点，就在于没有自复位的能力，摩擦系数不易控制，所以当其完成了耗能之后也必然会存在一个较大的残余变形。各种耗能装置的滞回曲线如图1.3所示。1.2.3构造措施缩小频率、减小位移这正是减隔震装置在结构中的作用，所以其必须拥有足够的柔度，才能满足要求7。可是如果在外荷载的作用下，又要保证结构不能发生过大的变形已经发生有害的振动，以满足安全的需要。所以弹性支撑的材料属性要求比较特殊，可以使用那些在应变量低时剪切属性大、在应变量大时剪切属性小的材料来达到上述既要有足够的柔度又满足不发生大变形的要求89。除了这个方法之外，还可以使
7、用其他一些破坏约束装置，使它在一定水平力作用下发生破坏，以满足设计要求1011。第2章桥梁的地震响应分析理论2.1地震反应分析方法在实际的桥梁抗震反应分析中，存在这诸多的不足，其中尤以实际地震强度记录的缺少而最为薄弱。按工程应用来说，其必须以地震场地运动为标准，但是因为现在的技术水平无法达到这个要求，所以现在这一块还是非常薄弱的。故而在桥梁设计中考虑地震作用时，往往以地震历史资料、地质构造情况以及场地情况，并参考一些已经记录的地震数据来作为设计的依靠的抗震系数。由于地质动过程本身具有随机过程的性质，地震反应分析中所采用的地震参数具有不确定性，所以发展了两种地震反应分析方法：一种是以地震运动为确
8、定过程的确定性地震反应分析，另一种是以地震运动为随机过程的概率性地震反应分析。目前，概率性地震反应分析还不十分成熟，要应用于工程实践中还有待于进一步研究。世界各国的桥梁抗震设计规范中普遍采用的是确定性的地震反应分析方法161025。从二十世纪以来，逐步建立并发展起来的确定性地震反应分析方法主要有静力法、动力反应谱法和动态时程分析法293031。2.1.1静力法（一）弹性静力法静力法以地震荷载代替结构在地震强迫振动下的激励外因，作用于结构计算静力效应代替结构在地面运动激励下的动力效应。它假设结构各个部分与地震具有相同的振动，把结构物在地面运动加速度Xg作用下产生的惯性力是做静力作用于结构物上作抗
9、震计算。因此结构因地震作用引起的惯性力地震力就等于地面运动加速度与结构总质量的乘积；再把地震力视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算。2.2地震动输入的选择2.2.1地质条件该设计适用于类场地，设防烈度为8度，地震动输入为三维地震动。2.2.1.1地震动参数区划图2001年2月2日，我国新一代地震区划图中国地震动参数区划图作为强制性国家标准发布，并于2001年8月1日开始实施。改图作为有关地震安全的全文强制性国家标准，适用于新建、改建、扩建一般建设工程的抗震设防，以及编制社会经济发展和国土规划。这一区划图的实施，将一般建设工程的抗震设防要求进一步纳入了法制化、标准化管理轨道。中国地震
10、动参数区划图以峰值加速度和反应谱特征周期为技术指标对国土按照可能遭受地震影响的危险程度进行区域划分，包括：(1)中国地震动峰值加速度区划图和中国地震动反应谱特征周期区划图，设防水准为50年超越概率10%(地震重现期475年)，场地条件为平稳的一般(中硬)场地；(2)地震动反应谱特征周期调整表，采用四类场地划分。上表则为四类场地的地震动反应谱特征周期调整表。需要说明的是，中国地震动反应谱特征周期区划图针对中硬场地(表中的类场地)，将特征周期为0.35s、0.40s、0.45s三组，而局部场地条件对反应谱特征周期的影响很大，所以区划图中的特征周期还需要根据桥址场地类型，进一步按照上表进行调整后才能
11、用于桥梁的抗震设计。2.2.1.2场地地震安全性评价地震安全性评价工作一般包括地震危险性分析、场地土层地震反应分析和场地地质灾害评价三部分。地震危险性一般可以用地震烈度来表示，它一般指的是在一定时间内，某一区域，在发生最大地震破坏的影响。地震烈度或者地面运动参数可以表示地震中在发生地震时地表建筑物或构筑物所遭受的破坏程度。当前，一般都是采用概率法来分析地震的危险性，具体要求如下：查明工程场地周围地震环境和地震活动性，判定并划分出潜在震源位置，规模和地震活动频度，给出可能的震源模型，确定各潜在震源的发震概率，最后根据地震动衰减规律和地震危险性分析的概率模型，计算出场地不同地震动参数的概率曲线，给
12、出不同概率水准下的地震动参数峰值，得到基岩的地震反应谱，以及地震持续时间。第3章铁路桥梁标准跨建模.373.1铁路桥梁基础.373.2桥墩.373.2.1桥墩构造.373.2.2桥墩类型.373.2.3桥梁墩柱建模.383.3上部结构.393.3.1结构形式.393.3.2支座反力：.403.3.3截面形式.403.4二期恒载及运行列车的动力考虑.423.4.1二期恒载.423.4.2列车荷载.423.5支座形式及力学模型.433.5.1盆式橡胶支座.433.5.2铅芯橡胶支座.443.5.3滑动摩擦型减隔震支座.453.6边界条件.463.7小结.46第4章数值模拟结果及对比.494.1数值模拟情况.494.2计算结果对比.504.2.1支座的峰值相对位移和剪力(支座的破坏风险).504.2.2跨中截面峰值加速度和相对位移(落梁风险和行车安全性).514.2.3墩底峰值弯矩剪力(桥墩的剪切破坏风险).524.2.4支座的滞回曲线(支座的耗能能力).524.2.5震后未恢复位移.564.3小结.
