一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法

摘要

本发明提供了一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法，通过将摩擦摆支座与缓冲防落梁装置形成组合隔震装置，使两者统一协调耗能，在进行抗震设计时，根据桥梁实际需求对所述组合隔震装置中各装置的技术参数进行组合设计，易于精细化设计和控制，既能保证上部结构具有较大的变形能力同时又能保证其不发生落梁，避免因根据理论情况进行设计而造成材料浪费或抗震性能不足，有利于节省钢筋用料，提高组合隔震装置的耗能效果，有效降低上部结构的惯性力，从而保护桥墩、基础等下部结构，有利于调整地震力在各下部结构间的分配，提高桥梁抗震性能，保证大震情况下不落梁，同时保护支座不受严重破坏，增强安全性，降低震后桥梁维养成本。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁抗震设计技术领域，特别涉及一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法。

背景技术

近断层区域内，地震地面运动主要有两个特征；一是由断裂机制和断裂扩散方向决定的向前方向性效应和向后方向性效应；另一个是沿断层滑移方向引起的永久地面位移效应。其中向前方向性效应引起地面运动是一个双侧往复形式的动力振动过程，其位移时程表现为阶跃型脉冲，其速度时程表现为大幅值、长周期、短持时的强脉冲形式，这是近断层地震地面运动与远场地震地面运动的最大区别，近断层脉冲型地面运动对中、长周期结构，如大跨桥梁、减震结构、隔震结构等会产生较大的破坏作用；另外永久地面位移是由断层滑移造成的不可恢复的地面位移，其速度时程表现为单侧或偏向单侧的脉冲形式，其位移时程表现为单侧阶跃型脉冲，近断层地区的大跨桥梁也会由于永久地面位移的空间变异性造成破坏。

普通支座通常难以起到减隔震的作用，而摩擦摆支座具有耐久性好、位移更大且承载力更高的优势，现有桥梁上一片梁的两边通常分别设置有两个摩擦摆支座，四个摩擦摆支座的设计屈服荷载一般根据一片梁所受的水平地震力以及各个摩擦摆支座之间的刚度分配进行计算，但由于远场地震动的竖向地震动较小，而近断层地震中，容易与近断层地震波形成共振，增加其地震响应，导致桥台撞击破坏，甚至落梁，并且由于近断层地震包含长周期成分较多，只采用摩擦摆的减震效果较差，同时由于近断层地震的竖向地震动相对显著，此时单独采用摩擦摆进行摩擦耗能，无法满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对在近断层地震动下，现有技术中普通支座无法减隔震、隔震装置抗震性能不佳的不足，提供一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法，为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法，组合隔震装置包含缓冲防落梁装置及摩擦摆支座，所述组合隔震装置的设计方法包括如下步骤：

(1)假设所述组合隔震装置的初始弹性刚度对应的自振周期处于反应谱曲线的平台段，求得地震力初始值Q(1)；

(2)使所述组合隔震装置处于弹性工作阶段，已知在地震力初始值Q(1)作用下的所述缓冲防落梁装置的屈服位移，求得所述组合隔震装置的弹性初始刚度值k(1)；

(3)通过上部结构重量和所述弹性初始刚度值k(1)求得结构自振周期初始值t(1)；

(4)以结构自振周期初始值t(1)作为结构自振周期t(i)，通过反应谱曲线，求得地震作用力Q(i)；

(5)使所述组合隔震装置处于弹性工作阶段，已知在地震作用力Q(i)作用下的所述缓冲防落梁装置的屈服位移，求得弹性刚度k(i)，结合所述上部结构质量，可得到结构自振周期t(i+1)，通过反应谱曲线，求得地震作用力Q(i+1)；

(6)地震力误差ε为预设要求；

(7)将求得的地震作用力Q(i+1)下调30％-40％作为设计屈服荷载，根据所有所述组合隔震装置之间的刚度分配，得到每个所述组合隔震装置的屈服剪力，将每个所述组合隔震装置的屈服剪力值减去所述缓冲防落梁装置屈服位移对应的摩擦摆支座的剪力，得到所述缓冲防落梁装置屈服强度的设计值，完成组合隔震装置的抗震设计。

相较于现有的摩擦摆支座独立作为缓冲耗能装置，本方法将摩擦摆支座与缓冲防落梁装置进行组合，形成组合隔震装置，使两者统一协调耗能，在进行抗震设计时，根据桥梁实际需求对每处两者的参数进行组合设计，易于精细化设计和控制，提高抗震性能，设计更加合理，既能保证较大的变形能力同时又能保证不落梁，避免因根据理论情况进行设计而造成材料浪费或抗震性能不足，优化提高组合隔震装置的耗能效果，有效降低上部结构的惯性力，从而保护桥墩、基础等下部结构，有利于调整地震力在各下部结构间的分配，提高桥梁整体的抗震性能，保证大震情况下不落梁，同时保护支座不受严重破坏，增强安全性，降低震后桥梁维养成本。

进一步的，在所述步骤(7)中，所述设计屈服荷载能够用所述组合隔震装置的设计峰值加速度与主梁质量的乘积替换。

进一步的，在所述步骤(7)中，将求得的地震作用力Q(i+1)下调35％作为设计屈服荷载。

进一步的，在所述步骤(6)中，若地震力误差重复进行步骤(5)，直到地震力误差满足预设要求。

进一步的，ε＝0.5％。

一种桥梁，包括组合隔震装置和摩擦摆支座，所述组合隔震装置采用如上述任一项所述的近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法设计。

由于摩擦摆支座具有一定耗能效果，相较于每片主梁两端全部采用组合隔震装置，采用组合隔震装置和摩擦摆支座结合来共同作用，经济性好，有利于节约成本，提高安装速率，加快施工进度，保证桥梁安全性能，降低震后桥梁维养成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果：相较于现有的摩擦摆支座独立作为缓冲耗能装置，本方法将摩擦摆支座与缓冲防落梁装置进行组合，形成组合隔震装置，使两者统一协调耗能，在进行抗震设计时，根据桥梁实际需求对所述组合隔震装置中各装置的技术参数进行组合设计，易于精细化设计和控制，提高整体桥梁的抗震性能，设计更加合理，既能保证上部结构具有较大的变形能力同时又能保证其不发生落梁，避免因根据理论情况进行设计而造成材料浪费或抗震性能不足，提高组合隔震装置的耗能效果，有效降低上部结构的惯性力，从而保护桥墩、基础等下部结构，有利于调整地震力在各下部结构间的分配，采用组合隔震装置和摩擦摆支座结合，有利于节省成本，安装快捷，加快施工进度，保障桥梁抗震性能，保证大震情况下不落梁，同时保护支座不受严重破坏，增强安全性，降低震后桥梁维养成本。

附图说明

图1本发明中一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法，组合隔震装置包含缓冲防落梁装置及摩擦摆支座，如图1，所述组合隔震装置的设计方法包括如下步骤：

(1)假设所述组合隔震装置的初始弹性刚度对应的自振周期处于反应谱曲线的平台段，求得地震力初始值Q(1)；

(2)使所述组合隔震装置处于弹性工作阶段，已知在地震力初始值Q(1)作用下的所述缓冲防落梁装置的屈服位移，求得所述组合隔震装置的弹性初始刚度值k(1)；

(3)通过上部结构重量和所述弹性初始刚度值k(1)求得结构自振周期初始值t(1)；

(4)以结构自振周期初始值t(1)作为结构自振周期t(i)，通过反应谱曲线，求得地震作用力Q(i)；

(5)使所述组合隔震装置处于弹性工作阶段，已知在地震作用力Q(i)作用下的所述缓冲防落梁装置的屈服位移，求得弹性刚度k(i)，结合所述上部结构质量，可得到结构自振周期t(i+1)，通过反应谱曲线，求得地震作用力Q(i+1)；

(6)地震力误差ε为预设要求；

(7)将求得的地震作用力Q(i+1)下调35％作为设计屈服荷载，根据所有所述组合隔震装置之间的刚度分配，得到每个所述组合隔震装置的屈服剪力，将每个所述组合隔震装置的屈服剪力值减去所述缓冲防落梁装置屈服位移对应的摩擦摆支座的剪力，得到所述缓冲防落梁装置屈服强度的设计值，完成组合隔震装置的抗震设计。

组合隔震装置包含缓冲防落梁装置及摩擦摆支座，假设所述组合隔震装置的初始弹性刚度对应的自振周期处于反应谱曲线的平台段，求得地震力初始值Q(1)，在地震力Q(1)作用下，使所述组合隔震装置处于弹性工作阶段，已知所述组合隔震装置所述缓冲防落梁装置的屈服位移，求得所述组合隔震装置的弹性初始刚度值k(1)，通过上部结构重量和弹性初始刚度值k(1)求得结构自振周期初始值t(1)，以结构自振周期初始值t(1)作为结构自振周期t(i)，根据结构自振周期t(i)，通过反应谱曲线，求得地震作用力Q(i)，已知在地震作用力Q(i)作用下的所述缓冲防落梁装置的屈服位移，求得所述组合隔震装置的弹性刚度k(i)，结合上部结构质量，可得到结构自振周期t(i+1)，通过反应谱曲线，求得地震作用力Q(i+1)，计算地震力误差，当ε＝0.5％，使若误差不满足条件，则重复进行所述步骤(5)进行迭代计算新的Q(i+1)，然后将满足条件的Q(i+1)下调35％作为设计屈服荷载，也可以采用所述组合隔震装置的设计峰值加速度与主梁质量的乘积作为设计屈服荷载，每片主梁两端全部采用所述组合隔震装置，如共设置四个所述组合隔震装置时，根据四个所述组合隔震装置之间的刚度分配，得到每个所述组合隔震装置的屈服剪力，将每个所述组合隔震装置的屈服剪力值减去所述缓冲防落梁装置屈服位移对应的摩擦摆支座的剪力，得到所述缓冲防落梁装置屈服强度的设计值，完成组合隔震装置的抗震设计。

实施例2

一种桥梁，包括组合隔震装置和摩擦摆支座，所述组合隔震装置采用如实施例1中的近断层地震作用下组合隔震装置的设计方法设计。

一种桥梁，每片主梁的一侧与桥墩之间采用如实施例1中的设计方法设计的组合隔震装置，另一侧与桥墩之间只采用摩擦摆支座，其中，所述组合隔震装置在设计的步骤(7)中，根据两个所述组合隔震装置和两个所述普通支座之间的刚度分配，得到每个所述组合隔震装置的屈服剪力。采用组合隔震装置和摩擦摆支座结合的桥梁有利于节省成本，提高安装速率，加快施工进度。