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[原创] 索结构桥梁的抗震设计和抗震加固策略 [复制链接]

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lansebeiai 发表于 2012-4-27 14:48:44 |显示全部楼层 |          |
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索结构桥梁的抗震设计和抗震加固策略$ B3 f% ^# \' B7 G- h6 a9 j2 s
——美国现行实践概述
' z2 y8 k, K9 @* P, [孙峻岭


9 H9 z. u- I) b

引 言
- a5 {# Q1 p4 B- I/ _    大跨度桥梁是我们社会的基础设施中非常重要的组成部分。在桥梁设计中,大跨度桥梁是必不可少的建筑,属于重要桥梁范畴。不同于普通桥梁,这些大型桥梁需要特别关注。 美国国家公路与运输协会(AASHTO)的规范将跨度超过500英尺的桥梁定义为大跨度桥梁。
) u  t8 `4 `$ v1 E    典型大跨度桥梁包括:斜拉桥、悬索桥、拱桥和多跨连续箱梁桥或桁架梁桥。 过去二十年来,世界各地设计建造的大跨度桥梁越来越多,其中一些位于高震区。在分析和设计中考虑了多点激震、几何非线性、材料非线性和土-基础非线性相互作用等。
! q/ r- v: y. O# ]5 `    对近期发生在地震高发区的大地震(1994年加州北岭大地震和1995年阪神大地震)中桥梁损毁的调查(Yashinsky 1995,Ritchie 1999)表明,绝大多数大跨度桥梁在地震荷载作用下的损伤比小跨度普通桥梁小,且大跨度桥梁未发生重大损毁或倒塌。这是由于人们对于大跨度桥梁的设计给予了更多关注,但这并不能保证,如果附近发生更高强度地震(最大可信地震),大跨度桥梁仍能正常使用或不受损毁。
) N- U' C! L( ^  Y    大跨度桥梁的抗震加固策略和普通中小跨度公路桥梁的抗震加固策略不同。 一座大跨度桥梁的不同部分可能要求使用不同的策略(混合处理)。
8 L* N, R) p# I+ `; s. ?& ]( F    在美国,AASHTO规范适用于所有公路桥梁。 规定中包括了以下三种设计方法: 系数和强度修正系数R法(1-3.0/最大值5),基于一个基本模态或基于多模态的反应谱设计法,以及时程分析法。 设计方法的选择取决于桥梁结构的常规性(7跨以上桥梁定义为非常规桥梁)、重要性和所处震区。
3 i% ]5 @- U$ z. ^- [, i  j) S) f    由设计谱或设计地面运动定义风险水平。 本文规定的设计地震动(50年或500年重现期内超越概率为10%)和强度在一座桥梁的正常寿命期间,被超过的概率极低。按照规范规定设计的桥梁也有受到损害的可能,但因地震引起的地面运动而倒塌的可能性应该很低。对于重要建筑,如大跨度桥梁等,可以使用2500年重现期的地震作为最大可信地震。
' I5 U4 y2 A) ^5 t, b  g' J    各州有权实施本州的设计细则、设计步骤或规定。 在加利福尼亚州,加州交通部(CALTRANS)有自己的桥梁抗震设计指南。 而在其它一些州,强度设计中使用2500年重现期的地震作为最大可信地震。 对大部分州而言,跨度不超过500英尺的常规的板、实体梁、箱梁和桁架梁等上部结构的设计采用AASHTO第I-A章的规定。针对其它跨度超过500英尺的的桥梁,业主(州交通运输部)应为设计指定和(或)批准适当的规定。

/ r- \2 ?' J7 l/ Y- }. o9 `    AASHTO规范基于以下原则:$ o) Y- W! q7 N8 v- E
1. 在中、小强度地震的作用下,结构构件应保持在弹性范围内,不发生大的破坏。6 {5 t' G, D& a0 |+ W, O2 G
2. 设计过程中应使用真实地震动强度。( H9 J4 H: Q8 M* Q7 p* S, F/ X
3. 大地震作用下桥梁结构不发生整体或部分倒塌。 已经发生的损毁应尽可能易于发现并易于检修。( k, V& ^* G/ ?: e, J1 N4 n4 w
4. 系数概率采用50年或500年重现期内超越概率为10%。% c) \5 d2 j+ P' A3 v1 `
5. 可接受损毁限制在桥墩塑性铰区域内。因此基础应保持在弹性范围内。; L7 g+ i: r6 O# q5 c+ \5 g
在加利福尼亚州,大多数公路桥梁需要进行动力分析设计。 CALTRANS为桥梁设计与评估而设立的抗震性能标准如表1所示。
; p' a, G, Y. Z
表1 CALTRANS抗震性能标准

场地地震动

性能最低要求

重要桥梁性能要求

功能评价地震动

立即运营

  

可修复损害

立即运营

  

最小损害

安全评价地震动

限值运营

  

重大损害

立即运营

  

可修复损害

  J6 B- U* J- _+ i* N0 u5 z
根据以下两种地震动等级对结构抗震性能进行评价:
9 J: n3 F$ B. ~% q7 E, Z' P1.
功能评价地震动在桥梁使用寿命(50年,100年,200年)期间的发生概率为40%。
) }% ^) {5 C9 [  F9 _4 a2.
安全评价地震动是基于常规确定性评估的最大可信地震或平均重现期为1000至2000年的地震。
' O0 F6 E% ^) Q  @* H重要桥梁(大跨度桥梁属于重要桥梁)的抗震要求较普通桥梁有显著提高:
. y+ {  Y2 g  G* }1.
结构应在功能评价地震作用下基本保持弹性。
. c2 ]7 L* z5 K) \2.
结构应能在安全评价地震后立即提供正常交通服务。 发生的任何损毁应能修复并只造成有限的服务中断,如短期封闭。% J+ k7 O) F; b

1 t# y8 \; S3 E本文将介绍并讨论索结构桥梁的抗震设计及一些抗震加固策略。8 z- L+ P( B' j* h+ V- L
1 抗震设计的一些基本问题
2 D& Z" i  g$ s/ D  K' i    过去二十年年间,美国修建或者加固了数座跨度超过200米的大跨度索结构桥梁。与此同时,在世界各地,特别是欧洲和亚洲,也兴建了许多此类桥梁。
' l9 \& Z4 ~1 A3 e0 m    大跨度索结构桥梁在地震荷载下的设计基本上与任何重要桥梁的设计一样,必须解决一系列关键问题:
% V) O$ L% }% x8 M5 l•   
通过地震风险性评价、地震反应谱及地面运动时间历程来确定桥址的地震风险,该问题可通过评价特定地点历史、地震和地理数据的确定性方法,或通过针对该地区的概率方法来实现。2 F+ F  @" c+ u3 G' E. t
•   
根据上述得到的数据建立多水准的抗震设计过程,在常用的二水准(或双水准)方法中,将桥梁寿命期间超越概率为50%定义为较低水准,桥梁寿命期间超越概率为5%定义为较高水准。对于美国普通公路桥梁的75年一般寿命来说,则要求建立150年和1500年重现期的抗震设计过程。目前设计的大部分大跨度桥梁如维修良好,可存留150年或更久,因此可能采用二水准抗震设计过程中的较高水准。
: J- W) M, y+ |+ @0 W& h- ^: K•   
和业主或设备运营者建立桥梁性能政策(BPP)。BPP应考虑到对当地居民和周边环境的经济和社会影响,以及在多水准抗震设计标准下桥梁业主的成本。BPP是业主在考虑财政约束和其它资源限制条件下,对桥梁在大小地震中预期性能的陈述。: ?( g8 E" Q5 f
•   
将桥梁性能政策转化为指定场地抗震设计标准文件中,对现行的桥梁设计规范进行补充。
+ @. R3 v4 n" Y3 H6 o; X1 y•   
根据桥梁初步设计阶段为桥梁建立的抗重力体系,为抗震体系(SRS)建立若干概念。& Q* x( v. F3 [4 Q7 T0 C; h
•   
根据以上抗震要求和抗震设计标准进行桥梁结构系统的设计。
2 T  b" y7 b0 [' T% f3 `6 b•   
对结构的总体、区域和局部行为进行线性和非线性分析。# k, L  f" S& l) A- C/ o
•   
改进设计和图纸。+ l7 a6 a& |2 j, @
•   
用关键的大比例结构试验室试验检验设计。/ k6 Z/ c; J- N8 N6 F3 V, r: ^

8 K7 o. P! g/ v/ |6 @& R$ n  J$ y6 P
上述抗震设计若干问题详见下文:
5 k$ w8 i! s  _4 [. Z2 设计地震时谱* z) k  i# Y9 a9 E: ]7 k
除非桥梁建造于单块岩石之上或距离最近的可信断层线至少50公里以外,否则桥梁设计师应对大跨度索结构桥梁进行严格的结构时程反应分析。在对一座大跨度索结构桥梁进行仿真线性及非线性时程分析时,指定场地的多点岩石运动和岩土数据非常重要。( a0 I. {' H. i8 S
在评价特定地点的多点岩石运动时,应考虑以下因素:1 Z1 j& d# s! j1 `$ h
近场断层破裂的方向性效应:近年来对桥梁在地震中的性能观察,如1989年 Loma Prieta(美国)、1994年北岭地震(美国)、1995年阪神大地震(日本)以及1999年集集大地震(台湾),表明桥梁结构易受速度脉冲影响(在美国称为“速度脉冲效应”,因为这将会导致快速的地面位移)。一套指定场地的岩石仿真时程运动应包含速度脉冲及其频率组成。
6 u9 `% Q8 ?1 V7 ^2 i& L
垂直加速度效应:位于活动断层附近(10公里内)的桥梁可能经历较大的垂直加速度,在设计中必须加以考虑。
" F5 M  }0 n# e& Q' Q9 _/ K9 E•  
行波效应引起地震波行。
, P9 U, z+ X( g•  
相关函数的相容性引起的散射及复杂的波传播现象。 # {7 ~8 U. f$ S; V( x8 U
•  
正断层和平行断层之间的相互关联。# R7 C& d! A1 w+ i0 J+ F- \9 |
当多点岩石运动用于自由场分析以便为土-结构相互作用分析和总体桥梁响应模型提供输入数据时,指定场地的地球物理及岩土工程的现场和实验室试验数据将对获得真实的分析结果起到关键作用。
; e. L' f7 z1 q8 d- G$ J% P/ v- C
4 t$ x3 u$ P7 S7 \! Q
3 桥梁性能政策和抗震设计标准! F% F5 `# F8 F) v% f9 n9 j
    桥梁性能政策与桥梁对当地居民和所服务地区的重要性程度直接相关。大跨度索结构桥梁通常是地标式建筑,并经常被列为所服务社区的“重要”或“关键”基础设施。- \- C7 w% b& B( J/ X0 U
    例如,旧金山-奥克兰海湾大桥就被加利福尼亚州列为“生命线”工程。如此重要的桥梁要求其必须在90年重现期地震即功能评价地震,以及1500年重现期地震即安全评价地震发生后能立即提供完全运营服务。桥梁性能政策进一步阐述该桥梁在功能评价地震中可受到最小损毁或无损毁,在安全评价地震中可受到可修复损毁(通过最低限度的交通中断而快速修复)。 ' D+ J; J# X; d+ S9 \
根据社会、政治和经济因素,其它地标式桥梁可能在桥梁性能政策中有不同的要求。然而,桥梁性能政策是在刚开始时就需充分定义好的关键项目,以便接下来制订桥梁的抗震设计标准。进而根据容许应变、变形及需求-能力比确定关键结构构件或次级结构组的性能要求。) }% U( X; m+ v. V, [4 g- X# w/ V9 K
    再以旧金山-奥克兰海湾大桥东湾大桥项目为例,在安全评价地震作用下,桥梁性能政策中的“可修复损毁”由抗震设计标准中的“有限延性结构”要求所保证。“有限延性”规则将最大混凝土压缩应变限制在混凝土极限压应变的三分之二以内,将钢筋的最大拉应变限制在钢筋极限拉应变的三分之二以内。此外,有限延性结构条款要求设计提供一个定义明确的延性机制以响应地震荷载以及集中于某几个选定构件的有限的非线性变形,如索塔剪力连接件、主墩铰区域和桩顶。桥梁任何构件的最大残余变形被限制在300毫米内。5 S  w3 R& B. Q% k" l+ G
    在功能评价地震作用下,桥梁性能政策的“最小损毁”由抗震设计标准中的“基本弹性”要求所保证。在抗震设计标准中,“基本弹性”的主要特征是桥梁上部结构和主塔的弹性响应,其中混凝土极限压应变为0.004,钢筋拉应变极限为0.001。3 ?1 k, i5 @: b$ o$ D6 I# P

% c6 }& @& Q7 z) d4 抗震桥梁概念的发展; B. D2 j; R( D% e. J! L" u
    与常规桥梁的抗震设计一样,大跨度索结构桥梁的抗震设计概念应该有一个明确可辨的抗震系统(ERS)。桥梁的ERS应提供一个可靠且不受干扰的传力路径,将地震引起的惯性力传递到地面。ERS还应提供稳定的弹性和非弹性变形能力,以承受由地震动引起的变形需求。在进行桥梁ERS系统优化时,应把主塔和引桥桥墩视为一个完整的抗震系统。考虑到结构简单化、功能可靠性和持续维修性,不使用支座或隔震设备也许更可取。然而,当独立的ERS系统无法满足由地震运动引起的力和位移需求时,如果正确使用地震响应改善装置,则可发挥有效作用。
0 G% K' O/ w) p  x    由于大跨度索结构桥梁的主塔是主要的重力承载构件,因此索结构的地震侧向荷载最好能由边墩而非由主塔来抵抗。此概念可能要求在引桥桥墩及主桥桥墩和主塔之间做一个部分或完全整合的设计。事实上,地震后对边墩的修复比对主塔的修复要容易得多,这也进一步证明了以上考虑的合理性。然而,桥塔仍须按照自主缆传至塔顶的地震荷载进行设计。
* W0 Y" g4 M! t    当桥塔按常规设计成能满足强度的要求时,桥塔的位移量对在地震荷载下确保桥梁的安全性就变得至关重要。在主塔设计中使用多柱体系,这个最新发展提供了一个能同时提供轴向承载力及侧向变形能力的新型结构体系。下文将更详细论述此概念。2 p! ~% n2 f) h3 V0 g
7 B) n6 q- @+ [( \! f
5 评估桥梁构件需求和能力的结构分析" \) K: Q$ h) u# A! v0 d
    对索结构桥梁的综合结构分析应包括对受力和变形需求的估计,这通过计算机模型分析来完成,这些模型应在尽可能简单的同时,包含地面运动输入和结构响应的所有重要因素。0 _$ V. y! Z( J7 f0 i
3 N- w& P& [7 v& e0 U
6 整体分析
8 {7 Z, ~2 X# f4 W    一般而言,对大跨度索结构桥梁的总体分析应该由一个三维的线性或非线性计算机程序完成。反应谱和时程分析法在大跨度索结构桥梁的设计中应同时使用。
7 O" @4 ^/ [, t3 h( X, b/ y
1 `. ^" I- N2 c, c
主要为线性但包括所有重要非线性的模型应采用时程分析。这些非线性可能包括:5 D' K2 l8 \. {- V, G
整体几何非线性
6 A% n, ~5 f) o+ F5 j8 I# w
拉索或主缆几何非线性
# k! p% _, H, e5 s/ t+ b7 r
桩、桥墩和桥塔的塑性铰
6 A3 i* k; ~7 M9 O5 e
桩帽或桥墩的摇动
: v  J( z3 H: o& i' I; g
结构部件之间的撞击
5 Z& J/ z5 g6 O7 G
非线性装置如阻尼器和限位器的行为! h6 `2 E% K2 x
结构关键区域如塔基的非线性行为或主塔的摇动,这些区域的简化表示(如简化有限元模型)可包括在整体模型中。
& q1 e$ q& t( }0 G, ], W5 K: ^整体模型应合理表达基础和土与结构的相互作用。将土与结构相互作用的不同建模方法按由简至繁顺序排列如下:
" b+ I" b8 W$ w& c, q6 d- }+ ^4 P
线性阻抗矩阵和相应的分散输入运动  x, q0 c6 X( r1 w! [8 L1 J) s
考虑相割阻抗矩阵的非线性土和(或)基础行为* C, m' T: Y  w7 Y+ w& L
从基础时程分析中得到的分散输入运动
; P! ?' S* f3 m/ u' z
若非线性土或基础行为或基础摇动非常严重,则这些行为可包括在整体模型中。7 q1 u: @5 F* p0 E( e' R

5 O$ P' K7 \8 F7 y7 局部分析6 {6 I) E. w8 `7 h+ d/ ]
    局部有限元分析通常用于分析结构的非常规或关键部位,并确定所研究区域的行为,以便将该行为以简化形式考虑在整体模型中。/ j( k7 T* d3 N; D4 a+ j+ G" v$ N
    可作为局部分析对象的桥梁部位如下:
* U. L+ {# k  e
桩/桩帽连接/ [& Y4 Y7 l, ?6 W% e1 O  L
塔基和塔顶/ W  Y& `- Q$ w( Z
桥面和桥塔之间的连接
( ~5 ?( d. z9 C9 h    局部模型也可用于结构非常规部位的实际设计中,对于这些非常规部位没有现成的设计规则,规范条款也可能不适用。我们采取此方法对金门大桥进行抗震加固,进行了塔基和支承墩的加固设计,也为旧金山-奥克兰新海湾大桥的主塔剪力连接件进行了设计,这将在下文进行论述。
. l/ N1 {$ M' a

9 m% J. q4 ~3 o6 s( k8 关键结构细部构造设计# @" m4 i) N( l$ J+ x
    对结构构件正确的细部构造设计将结构概念和工程的成功实施联系在一起。正确的细部构造设计在重要基础设施的设计,尤其是在大跨度索结构桥梁的设计和抗震设计中,应得到充分重视。在能确保桥梁在地震作用下安全性的许多重要结构构造中,混凝土构件的侧向约束和钢构件的屈服后紧密度是改善桥梁在地震作用下性能的两个最具决定性的因素。0 ?& {" u5 ~" V# W, ]4 F
    侧向约束。适量增加混凝土受压构件的侧向约束,显著加强了屈服后变形能力并阻止脆性剪切断裂,在近几十年的地震中,很多混凝土桥梁都经历过这种断裂。新西兰坎特伯雷大学在20世纪80年代初,加州大学圣地亚哥分校和美国其他许多机构在20世界80年代末及90年代初都用试验证实了这一点。
" R3 D) F  r; X' w8 i3 [% H" {    除了最低横向配筋率以外,目前Caltrans要求柱、桥墩和桥塔中的所有环向箍筋采用极限强度连接或经过认证的焊接连接,或用经过认证的机械套管连接。禁止使用多年来在众多桥梁工程中使用过的传统“搭接头”详图。加强横向束的成本通常不到工程总成本的1%,这样小的成本却对桥梁在地震荷载下保持良好性能发挥了最有效的作用。
' f4 H- w. v' A/ q, a    钢板屈服后厚实度。钢板弯折很可能是地震荷载下钢结构设计中最主要的失效模式。控制或限制这种失效的设计指标是钢板宽厚比或“b/t”。对于此关键设计指标,目前的设计规范中似乎有些混淆。这种混淆的例子之一就是钢截面厚实度的定义类别。目前,在不同规范中对截面厚实度的定义有四种类别:
9 h% Z4 a$ Q! R: ~    细长截面。在这个类别中,局部钢板弯折会在全截面屈服前发生。
1 i* f2 m7 R, D4 T! D, x! k  T" hA类“厚实”截面(AASHTO,AISC)。在这个类别中,局部钢板弯折不会在全截面屈服前发生。5 _3 L% J7 d( `7 H& I+ n# N
B类“厚实”截面(AASHTO,AISC)。在这个类别中,在局部钢板弯折发生前,几乎全截面的屈服能确保发生且塑化能力能够显现。此类别能在任何局部钢板弯折发生前达到钢屈服应变2至3倍的应变水平。: I# f4 ^- k6 `# ?% h4 k
大应变“厚实”截面(ACT-32,AISC附录)。在这个类别中,在任何局部钢板弯折发生前,截面能承受钢屈服应变5倍或以上应变水平的相应变形。
. o6 `, s2 }- H2 o+ N    在大跨度索结构桥梁钢结构的抗震设计中,预期要承受较大非线性或延性变形的构件截面应采用“大应变紧密截面”相应的b/t,以满足大于或等于2的位移延性需求。北岭大地震中建筑物钢框架遭受的巨大损毁表明了非延性钢构件如不经过正确的细部构造设计,将很容易破坏。8 o9 q2 r# n& U1 H
    对这些决定性因素的讨论是为了强调桥梁设计中结构细部构造设计的重要性,对抗震性能和长期结构耐久性方面采用严格标准的大跨度桥梁来讲尤为重要。
4 l! p2 ?! \! {+ V* c2 ^9 g; U

% W( k+ d" c! k/ H9 大比例设计验证性试验室试验  * @' s- R9 C) [' ^$ n
    通常在大跨度索结构桥梁的设计中,桥梁工程的普遍作法是推、拉甚至破碎,以确保能满足由社会、美学、经济及公众方面考虑而产生的需求,以及由自然和人为力量所产生的需要。这种推边缘的作法特点不仅在于非常规的大型桥梁构件,还在于所选定的结构系统和所选择的材料。) }# r0 F% X. r7 z. J4 D
    在旧金山-奥克兰海湾大桥新东湾工程的例子中,一个代表公众利益的工程师和建筑师小组选择了创纪录的大跨度自锚式悬索桥方案。桥梁工程师面对这个不同寻常的结构设计的严峻挑战,为抗震系统开发了一个创新的结构体系。桥梁结构体系中关键构件中的新概念,例如由可变形钢剪力连接件连接起来的四柱钢塔、环缆锚固系统、多柱混凝土抗震桥墩,以及钢和混凝土的延性细部构造设计都是令桥梁概念成为现实的重要因素。6 v7 `6 P* Z8 d: |+ s5 E* G. L
    为确保结构安全性的高标准和150年结构设计寿命期间的耐久性,桥梁结构体系的关键构件须以合理的比例在结构试验室进行试验。4 B" C% q+ K+ E
    考虑到大跨度索结构桥梁通常涉及的巨大投资,试验室验证性试验计划应该成为整个工程计划中的一部分,其重要性不仅在于确保结构安全性,同时也在于控制和减少工程投资的总成本,并改进桥梁工程具体实践。! R" [' @: Y- V: Q1 |
# F9 ~7 f( ^& C( E" t, G6 d
10 使用响应改性技术的抗震加固! F8 f/ ?' o8 L4 ^% w5 D1 A2 m
索结构桥梁的抗震加固通常使用“抗震响应改善技术”。影响桥梁结构响应的两个最重要因素是刚度和质量分布,这决定了桥梁的频率组成和结构阻尼。桥梁的刚度和质量并非均匀分布,因此在随机地震动作用下会发生不规则响应。关键问题是首先理解动力响应,并制定一个加固策略,以改进或减小桥梁响应。目前在结构响应改进方面所做的努力集中在:) H7 b1 m8 I: b4 m+ G7 W7 _
“规整不规整性”:使支承构件的刚度均等或增加次结构体系,以使有效抗震需求和结构能; \8 a# ]' I: Y
隔震:将桥梁基本自振周期增加至设计谱中地震动能量输入较小的一点。: r- l2 m7 ~! q7 t- _& @6 a
阻尼器:增加结构的能量耗散能力,由此增加有效的等效结构阻尼,以减少或限制底部剪力和次结构的变形需求。! d+ ?- r1 k) a
  
工程师和研究人使用以下两种主要方法实现以上目标:, v+ L$ c' Q0 ~
通过设计出新型的次结构体系或构件,如多柱桥墩、套管桩、摇式桥墩和延性剪力连接件等,改善或优化桥梁结构响应。桥梁设计师在新建项目中更倾向于使用这种方法。; V4 c+ w0 a' ^
通过使用结构响应改性“装置”如延长结构基本周期的隔震支座和增加有效阻尼的阻尼器等,改善或优化桥梁结构响应。 此外还有很多新发展,如使用设备和(或)智能材料的主动或半主动控制系统。这些“智能结构”方法还未在美国目前的桥梁工程实践中正式使用。' S5 q' j* {2 O
显然,在大多数情况下这两种基本方法的结合是符合经济效益。这也是目前MCEER研究任务的基本目标,即为大跨度桥梁制定经济有效的加固策略。以下是一些典型的结构响应改善方法:$ {* Z8 i5 T% _- e. a* Z4 F7 R% H
多腿(柱)混凝土桥墩
! U- k- Y' c6 O多柱桥墩的概念就是将典型的单柱桥墩分开成多柱桥墩,增加其弹性。这就在不削弱抗剪承载力的前提下,大大增加了桥梁的基本周期和桥墩的变形能力。此概念在旧金山-奥克兰海湾大桥悬索结构的最终设计中得到了积极探索和使用。由此产生的四柱西锚固墩使第一自振周期由1.5秒增加到4.0秒。这成功地将地震运动的高能量输入限制在1.0至2.5秒的范围内。与典型的单柱桥墩设计相比,45米高桥墩的变形能力也从0.3米左右增加到了2.0米左右。
% K7 a0 }* }/ }/ v( G
多柱钢塔1 D) i( ?+ m) Y! H) f
多柱概念也被用于改善支承旧金山-奥克兰海湾大桥悬索的单塔的抗震性能。单塔被分成四个钢柱,由巧妙设置的延性剪力连接件连接在一起。0 w8 k" f4 L4 B( D
套管桩基
/ \& B* a* ?5 J8 H7 p套管桩的基本原理是在基础和地面运动之间加入一个“软层”,实现地面-基础间的隔震。此方法尤其适用于同一桥梁基础下岩土状况不同的情况。在其他情况下,这个概念被用于降低桥墩基础,以便在地震荷载下达到最佳结构响应。
* `2 q& y; ?& H  G6 z9 `
摇式基础, V/ w! d8 r$ o5 ?: T. M
高桥墩的摇动响应限制了施加于基座的力矩,并由此将提升力限制在桥墩一侧。摇动还能有效耗散能量,并由此增加结构的有效阻尼。此概念在20世纪60年代得到研究,在20世纪70年代得到进一步研究并运用于新西兰的一项铁路桥设计中。最近,摇动响应机制被用于金门大桥钢塔的加固设计。人们对其细部构造进行了特别的设计,以充分加固桥塔的下段,使其能够承受摆动产生的压力。两座混凝土桥墩的顶部也通过预应力拉索进行了加固,使其能承受塔基处的冲击荷载。
; u4 ]6 K  u( a" ]' C/ s
金属阻尼器
2 c+ K* ?/ r* D目前可使用的阻尼装置有很多。其中的能量耗散机制从金属(通常是钢)或合金(如铅)的非弹性变形中获得,以获得稳定的弹塑性行为。4 f5 ~( A6 U* `/ p/ h) ~
摩擦阻尼器和摩擦支座2 C. ]1 y6 w) i1 H+ O* I/ J5 |
摩擦阻尼器在特殊材料制作的滑板之间运用库仑摩擦机制,提供能量耗散。使用高强度螺栓的特殊类别摩擦阻尼器,取决于软金属嵌入件的摩擦行为。摩擦支座装置结合了滑动支座和钟摆行为的概念,这两者都能耗散能量并延长结构基本周期。由于耗能能力小,摩擦阻尼器还未在大型桥梁中得到任何程度的使用,但是摩擦/钟摆支座却得到使用并带来巨大的经济和结构效益。
3 v" [. m% M( b5 r" F, c
粘弹性支座/阻尼器/ E: S, B+ w$ j/ `) H. w
粘弹性支座/阻尼器中使用的基本材料是聚合物材料层与钢板夹层,以形成一个可承受垂直荷载的堆叠式支座,当其在剪切作用下发生变形时,可耗散能量并增加结构的基本周期。由于大跨桥梁结构的重量要求支座的直径非常大,不易制造,因此此类型支座仅被用于一些小跨度桥梁及建筑物中,很少应用于大跨度桥梁结构。1 O4 ]- O4 W2 f+ k6 A
粘滞流体阻尼器
6 I6 N8 x( i1 t  p与使用非弹性变形作为能量耗散机制的粘弹性阻尼器不同,粘滞流体阻尼器将机械能转化为热量,通过圆柱形阻尼器的活塞将高粘性流体从一个室通过一个孔挤入另一个室来完成。粘滞流体也可以放在一个长方形容器内,通过叶片在粘滞流体间转动的机械作用产生热量。5 q1 |' U' I; {. f1 @0 z
粘滞流体阻尼器还有另一个特性:它们不仅可以在被施加高速位移时提供阻力和能量耗散,而且可以在慢速位移情况下发挥作用。此特征使其可以被用于抵抗正常使用状态下由于收缩、徐变、温度或者活载引起的位移。% P& r  x0 A* ^  ^2 Y
粘滞流体阻尼器将被应用于金门大桥1280米主跨的抗震加固中,它们将被安装于桥塔与主跨桁梁的的连接及桥塔与边跨桁梁的连接上。此类型阻尼器还将在旧金山-奥克兰海湾大桥704米主跨的抗震加固中,被安装在同样的位置。由于钢箱梁是从头至尾连续悬吊,并从桥塔柱穿过,因此目前正在修建的横跨旧金山湾附近卡基内海峡的728米主跨悬索桥没有在桥塔上使用粘滞流体阻尼器。
5 K  ]  F6 d. i% R
调质阻尼器 0 a: E" J0 _! s
调质阻尼器(TMD)的原理是小弹簧质量系统的异相运动可减少或“影响”更大弹簧质量系统的基本自振周期。TMD并未在地震活跃区的大型桥梁普遍运用。 这很可能是因为典型地震运动的频率带宽相当广。 这样的高频容易在结构中产生更高模态的振动,而TMD在调谐到结构的基频时几乎不能抑制结构中高模态的动力响应。6 b: E1 d9 e) r( w$ b# B% f
TMD在明石海峡大桥桥塔的架设过程中得到了有效的应用,并且在大桥竣工后仍在塔内发挥作用。一个扭转TMD于1987年安装在布朗克斯白石大桥上,以有效地抑制风激振引起的第一阶非对称扭转模态。; d5 A) N+ U: H3 q. R) S
调和液体阻尼器
; \5 Y1 j9 Z6 A6 L+ h与调质阻尼器(TMD)原理相似,调和液体阻尼器(TLD)的基本原理是减轻结构响应。不同的是,TLD的响应是高度非线性的,部分原因是由于液体晃动或因为活塞孔的存在。实际上,相比TMD,TLD确实有以下优势,如低安装及维修成本、阻尼机制的长期可靠性等。6 u" g" v8 g+ S" Q4 ?, r  m  \
以上只是典型的例子。在美国使用的其它加固措施已列于参考文献,在此不再赘述。
5 f6 P& e% J) o) _+ z" ]
& M0 o; l1 x$ p: s/ o/ k$ X6 P
11 总结8 Z0 A  u7 `. U0 e$ L/ v
    本文对美国抗震设计和抗震加固的现行实践进行初步论述。主要目的在于:为确定未来的研究需要提供一个讨论的平台。- _& f" F: }' H) j4 L: J
    本文回顾了关于美国在此课题上所做努力的公开信息,如有欠缺之处,作者在此表示歉意。 8 o' x5 z) B6 H8 h

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yangruihu 发表于 2012-7-25 10:18:54 |显示全部楼层
2012年了,抗震一定要设计好啊
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xiahuan12345 发表于 2013-1-7 23:27:41 |显示全部楼层
一起顶起来!, T# r
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maancai 发表于 2013-1-18 13:25:21 |显示全部楼层
很好的文章!1 z8 c7 x( ?; ?# \  l5 K1 f" e# z* y
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不仅是梦想 发表于 2013-3-29 11:21:08 |显示全部楼层
不错的学习资料!!学习了。
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tfyetfruy 发表于 2013-4-30 19:42:34 |显示全部楼层
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wangweiloving 发表于 2013-8-31 14:11:08 |显示全部楼层
国外的抗震设计,学习了。
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liuyun172 发表于 2014-9-3 21:53:17 |显示全部楼层
正在学习桥梁抗震的相关知识,读了这篇文章对大跨度缆索承重桥梁的抗震设计有了一点概念,不错4 a' \3 q0 V, \( u7 j$ h8 [; u

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