[发明专利]一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁抗震技术，更为具体地说，是涉及一种利用梁体提高桥墩抗震性能的方法，特别是适用于高墩大跨桥梁的抗震技术。

背景技术

桥梁抗震技术一直以来是专业设计人员关注的重点，特别是高墩大跨桥梁的抗震设计目前还没有相关的标准规范。当前，常用的桥梁抗震方法主要有两种，一种是通过增加桥墩结构自身的强度和变形能力来提高其抗震性能，即依靠墩体自身的损伤耗散地震能量，比如在墩身底部设置塑性铰等。另一种常用方法是采用减隔震支座，一方面通过剪切变形或干摩擦消耗地震能量，另一方面通过降低刚度达到延长结构振动周期的方式耗散地震能量，在桥梁工程中得到了广泛的应用。

我国西南、西北山区地形复杂，沟壑交错，大部分处于高烈度地震区，跨越这些深沟峡谷时往往采用上部结构质量相对较轻、跨度较大的高墩桥梁，针对高墩桥梁的抗震设计存在如下两个难点：一是由于高阶振型对高墩地震反应的影响较大，地震作用下在墩身可能会形成多个塑性铰区，比如在墩体的底部和中部同时出现，其位置难以事先判断，使得高墩的延性设计比较困难，同时，强震作用下，墩体一旦产生破坏或损伤，修复极其困难，修复代价也较高；二是当前应用最广的减隔震支座是通过延长结构振动周期的方式耗散地震能量，但是高墩桥梁属于中长期结构，结构本身较柔，且对变形要求严格，不宜采用这种减振方式。同时，减隔震支座在竖直方向上的减振作用较为明显，在水平面内抵抗变形的能力较弱，因此，减隔震支座在高墩桥梁抗震设计上的应用比较谨慎。

近年来，动力吸振器是发展得比较成熟的一种被动控制装置，在建筑结构上应用较多。譬如，申请号为201420319835.9的中国专利公开了一种被动式动力吸振桥墩，利用动力吸振器的原理，在铁路空心高墩桥梁中安装附加质量块，通过质量块的位移耗能。但由于安装空间有限，附加质量块相对于桥墩的质量较小，抗震性能有待提升，且这种抗震方式，必须在墩体上引入一个外部的质量块，通常质量在几十上百吨，其安装施工难度很大。

传递至桥梁建设场地的主要地震动频率在0.5-10Hz左右，而大多数桥梁态将被激起，如果能将桥墩的主要参振模态进行约束或限制，则桥墩的振动位移和应力均会得到削弱。动力吸振器就是抑制结构共振的装置，于1928年由Ormondroyd与Den Hartog提出，并在机械及土木结构中得到大量应用，也广泛应用于桥梁拉索及梁体的振动控制中。近年来，也有学者(如兰州交通大学陈兴冲教授、同济大学余钱华博士等)提出应用动力吸振器来抑制墩体在地震作用下的振动，众所周知，影响动力吸振器减振效果的主要因素就是附加质量块与结构本体之间的质量比，质量比越大，减振效果越好。但由于受墩身安装空间的限制，附加质量较小，抗震效果一直得不到提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，在无需引入外部附加质量、无需在墩体上寻找安装空间的条件下，有效消除桥墩在固有频段的有害振动，减小墩体应力及提高桥墩抗震性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种利用梁体提高桥梁抗震性能的方法，包括梁体、桥墩和设置于桥墩顶部与梁体纵向端部之间的支座系统，该方法包括如下步骤：

a、通过数值模态分析或实验模态测试，获得桥墩在纵向或横向的自振频率f_i、等效模态质量M_i及模态刚度K_i；

b、确定梁体的质量m_i；

c、通过下式计算出梁体与桥墩之间的连接刚度k_i：

d、通过下式计算出梁体与桥墩之间的连接阻尼c_i：

e、选用具备上述连接刚度k_i和连接阻尼c_i值的支座系统，即可通过梁体作为动力吸振器来提高桥墩抗震性能。

本发明的有益效果是，通过合理设置梁体与墩体之间在水平面内的连接刚度和阻尼，便可在桥墩结构固有频率段上实现梁体的振动相位与墩体结构的振动相位相反，有效地消除墩体结构在该频段的有害振动，实现减小高墩墩顶位移、墩身弯矩和应力之目的；结构简单、易于实施，效果显著，彻底改变了过去利用塑性铰、减隔震支座和附加动力吸振器的现有抗震手段，可成为未来提高高墩桥梁抗震性能的重要手段。

附图说明

本说明书包括如下四幅附图：

图1为本发明的结构示意图。

图2为一典型汶川地震波时域图；