本發(fā)明涉及橋梁抗震技術(shù)，更為具體地說，是涉及一種利用梁體提高橋墩抗震性能的方法，特別是適用于高墩大跨橋梁的抗震技術(shù)。
背景技術(shù)：
：橋梁抗震技術(shù)一直以來是專業(yè)設(shè)計人員關(guān)注的重點，特別是高墩大跨橋梁的抗震設(shè)計目前還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。當(dāng)前，常用的橋梁抗震方法主要有兩種，一種是通過增加橋墩結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和變形能力來提高其抗震性能，即依靠墩體自身的損傷耗散地震能量，比如在墩身底部設(shè)置塑性鉸等。另一種常用方法是采用減隔震支座，一方面通過剪切變形或干摩擦消耗地震能量，另一方面通過降低剛度達(dá)到延長結(jié)構(gòu)振動周期的方式耗散地震能量，在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。我國西南、西北山區(qū)地形復(fù)雜，溝壑交錯，大部分處于高烈度地震區(qū)，跨越這些深溝峽谷時往往采用上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量相對較輕、跨度較大的高墩橋梁，針對高墩橋梁的抗震設(shè)計存在如下兩個難點：一是由于高階振型對高墩地震反應(yīng)的影響較大，地震作用下在墩身可能會形成多個塑性鉸區(qū)，比如在墩體的底部和中部同時出現(xiàn)，其位置難以事先判斷，使得高墩的延性設(shè)計比較困難，同時，強(qiáng)震作用下，墩體一旦產(chǎn)生破壞或損傷，修復(fù)極其困難，修復(fù)代價也較高；二是當(dāng)前應(yīng)用最廣的減隔震支座是通過延長結(jié)構(gòu)振動周期的方式耗散地震能量，但是高墩橋梁屬于中長期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身較柔，且對變形要求嚴(yán)格，不宜采用這種減振方式。同時，減隔震支座在豎直方向上的減振作用較為明顯，在水平面內(nèi)抵抗變形的能力較弱，因此，減隔震支座在高墩橋梁抗震設(shè)計上的應(yīng)用比較謹(jǐn)慎。近年來，動力吸振器是發(fā)展得比較成熟的一種被動控制裝置，在建筑結(jié)構(gòu)上應(yīng)用較多。譬如，申請?zhí)枮?01420319835.9的中國專利公開了一種被動式動力吸振橋墩，利用動力吸振器的原理，在鐵路空心高墩橋梁中安裝附加質(zhì)量塊，通過質(zhì)量塊的位移耗能。但由于安裝空間有限，附加質(zhì)量塊相對于橋墩的質(zhì)量較小，抗震性能有待提升，且這種抗震方式，必須在墩體上引入一個外部的質(zhì)量塊，通常質(zhì)量在幾十上百噸，其安裝施工難度很大。傳遞至橋梁建設(shè)場地的主要地震動頻率在0.5-10Hz左右，而大多數(shù)橋梁態(tài)將被激起，如果能將橋墩的主要參振模態(tài)進(jìn)行約束或限制，則橋墩的振動位移和應(yīng)力均會得到削弱。動力吸振器就是抑制結(jié)構(gòu)共振的裝置，于1928年由Ormondroyd與DenHartog提出，并在機(jī)械及土木結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用，也廣泛應(yīng)用于橋梁拉索及梁體的振動控制中。近年來，也有學(xué)者(如蘭州交通大學(xué)陳興沖教授、同濟(jì)大學(xué)余錢華博士等)提出應(yīng)用動力吸振器來抑制墩體在地震作用下的振動，眾所周知，影響動力吸振器減振效果的主要因素就是附加質(zhì)量塊與結(jié)構(gòu)本體之間的質(zhì)量比，質(zhì)量比越大，減振效果越好。但由于受墩身安裝空間的限制，附加質(zhì)量較小，抗震效果一直得不到提升。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用梁體提高橋梁抗震性能的方法，在無需引入外部附加質(zhì)量、無需在墩體上尋找安裝空間的條件下，有效消除橋墩在固有頻段的有害振動，減小墩體應(yīng)力及提高橋墩抗震性能。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：本發(fā)明一種利用梁體提高橋梁抗震性能的方法，包括梁體、橋墩和設(shè)置于橋墩頂部與梁體縱向端部之間的支座系統(tǒng)，該方法包括如下步驟：a、通過數(shù)值模態(tài)分析或?qū)嶒災(zāi)B(tài)測試，獲得橋墩在縱向和橫向的自振頻率fi、等效模態(tài)質(zhì)量Mi及模態(tài)剛度Ki；b、確定梁體的質(zhì)量mi；c、通過下式計算出梁體與橋墩之間的連接剛度ki：ki=1(1+miMi)2KiMimi;]]>d、通過下式計算出梁體與橋墩之間的連接阻尼ci：ci=2miKiMi3miMi8(1+miMi)3;]]>e、選用具備上述連接剛度ki和連接阻尼ci值的支座系統(tǒng)，即可通過梁體作為動力吸振器來提高橋墩抗震性能。本發(fā)明的有益效果是，通過合理設(shè)置梁體與墩體之間在水平面內(nèi)的連接剛度和阻尼，便可在橋墩結(jié)構(gòu)固有頻率段上實現(xiàn)梁體的振動相位與墩體結(jié)構(gòu)的振動相位相反，有效地消除墩體結(jié)構(gòu)在該頻段的有害振動，實現(xiàn)減小高墩墩頂位移、墩身彎矩和應(yīng)力之目的；結(jié)構(gòu)簡單、易于實施，效果顯著，徹底改變了過去利用塑性鉸、減隔震支座和附加動力吸振器的現(xiàn)有抗震手段，可成為未來提高高墩橋梁抗震性能的重要手段。附圖說明本說明書包括如下四幅附圖：圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為一典型汶川地震波時域圖；圖3為一典型汶川地震波頻域圖；圖4為普通支座設(shè)置方式示意圖。圖中示出構(gòu)件名稱及所對應(yīng)的標(biāo)記：梁體1，支座系統(tǒng)2，支座本體2a，彈簧和阻尼減振器2b，橋墩3，橫向活動支座11，固定支座12，多向活動支座13，縱向活動支座14。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，有必要指出的是，以下的實施例只用于對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)熟悉人員根據(jù)上述
發(fā)明內(nèi)容，對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整并進(jìn)行具體實施，應(yīng)仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。參照圖1，本發(fā)明一種利用梁體提高橋梁抗震性能的方法，包括梁體1、橋墩3和設(shè)置于橋墩3頂部與梁體1縱向端部之間的支座系統(tǒng)2。利用梁體1具有大質(zhì)量的屬性，將其作為提高橋墩3抗震性能的動力吸振附加質(zhì)量，通過合理設(shè)置梁體與墩體之間的縱向、橫向連接剛度和阻尼，形成附加在橋墩3的動力吸振器，在地震和風(fēng)載荷的作用下，便可在橋墩3的固有頻率段上實現(xiàn)梁體1的振動相位與橋墩3的振動相位相反，有效地消除橋墩3在該頻段的有害振動，實現(xiàn)減小墩體應(yīng)力及提高橋墩抗震性能之目的。本發(fā)明一種利用梁體提高橋梁抗震性能的方法，包括如下步驟：a、通過數(shù)值模態(tài)分析或?qū)嶒災(zāi)B(tài)測試，獲得橋墩在縱向和橫向的自振頻率fi、等效模態(tài)質(zhì)量Mi及模態(tài)剛度Ki；b、確定梁體的質(zhì)量mi；c、通過下式計算出梁體與橋墩之間的連接剛度ki：ki=1(1+miMi)2KiMimi;]]>d、通過下式計算出梁體與橋墩之間的連接阻尼ci：ci=2miKiMi3miMi8(1+miMi)3;]]>e、選用具備上述連接剛度ki和連接阻尼ci值的支座系統(tǒng)，即可通過梁體作為動力吸振器來提高橋墩抗震性能。上述步驟a中，對于尚未開始建設(shè)的橋墩，首先建立橋墩的有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析，獲得橋墩在縱向和橫向的自振頻率fi及對應(yīng)模態(tài)，利用等效質(zhì)量法(參見文獻(xiàn)：商霖.基于ANSYS有限元分析的模態(tài)質(zhì)量計算方法.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),2011,313(3):55-57)獲得不同模態(tài)對應(yīng)的參振質(zhì)量，即等效模態(tài)質(zhì)量Mi。對于已經(jīng)建設(shè)完成的橋墩，也可以通過試驗?zāi)B(tài)測試，獲得橋墩的自振頻率fi、對應(yīng)模態(tài)及等效模態(tài)質(zhì)量Mi。模態(tài)剛度Ki按下式計算：Ki＝Mi(2πfi)2。所述支座系統(tǒng)2可以由固定設(shè)置在橋墩3頂部的支座本體2a構(gòu)成。參照圖1，所述支座系統(tǒng)2也可以由支座本體2a、彈簧和阻尼減振器2b構(gòu)成，支座本體2a固定設(shè)置在橋墩3頂部，彈簧和阻尼減振器2b的兩端分別連接支座本體2a、梁體1。參照圖4，以某50m墩高的32.6m長簡支梁為例，其中橋墩采用圓端形空心橋墩，墩頂圓端截面外觀尺寸為10.6m×5.4m,從墩頂至墩底長度線性增加，變化率為1:40梁體結(jié)構(gòu)為雙線四片式簡支T梁。對該橋梁在如圖2、圖3所示一典型汶川地震波作用下的3種不同抗震措施的橫向抗震性能進(jìn)行了對比分析。措施1：普通橋梁支座，支座的安裝示意圖如圖4所示，活動支座縱向、橫向剛度為5×106N/m，阻尼為1×104N·s/m。措施2：普通支座(同措施1)+墩頂附件外部動力吸振器(即專利201420319835.9所述的方法)，根據(jù)橋墩頂部安裝空間估算，墩頂可用的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)安裝空間大約為10.92m3，即使采用密度更大的鑄鐵材料(密度為7850kg/m3)，針對第1階橫向振動模態(tài)的最大質(zhì)量比為0.04，對應(yīng)動力吸振器的剛度為1.9×107N/m，阻尼為3.04×105N·s/m。措施3：本發(fā)明所述的利用梁體作為動力吸振器的方法，橋梁梁體質(zhì)量為994.9t，針對第1階橫向模態(tài)的最大質(zhì)量比μ為0.662，對應(yīng)的梁體與墩體之間的連接剛度為7.34×107N/m，阻尼為4.67×106N·s/m。采用上述3種抗震措施的50m高墩橋梁動力學(xué)響應(yīng)最大值見表1。表1橋梁動力學(xué)響應(yīng)最大值措施1措施2措施3梁體跨中位移/mm35.520.720.1梁體跨中加速度/m/s212.78.915.29墩頂位移/mm32.017.812.3墩頂加速度/m/s29.967.046.90墩底應(yīng)力/MPa3.151.931.02根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3-2005)，橋墩常用C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度為1.70MPa，即使是C30混凝土，其極限抗拉強(qiáng)度為2.20MPa。措施1中墩底最大應(yīng)力值為3.15MPa，已遠(yuǎn)超過C30混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，在該地震波作用下，易產(chǎn)生裂紋及破壞。措施2中墩底最大應(yīng)力值為1.93MPa，也已經(jīng)超過了C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。措施3采用梁體作為動力吸振器來存儲和消耗地震能量，墩底最大應(yīng)力為1.02MPa，遠(yuǎn)低于C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，同時梁體振動位移、梁體振動加速度、墩頂位移、墩頂振動加速度均得到了較大程度地減小，有效地提高了橋梁的抗震性能。當(dāng)前第1頁1 2 3