http://www.BlueLakeInt.com

BLUE LAKE INTERNATIONAL, INC.

中   文

蓝湖国际公司

ENGLISH

公司组织 灯光控制 工程结构减震 创新中国

二,泰勒公司液体粘滞阻尼器在桥梁上应用的设计

前面我们已经介绍了阻尼器的原理和发展过程,针对工程使用者和设计人员常提出的问题我们对其有关问题做一介绍和解释。

1 什么样的工程适用阻尼器,阻尼器非用不可吗?

阻尼器对所有桥梁的运动都可以有所约束,液体粘滞阻尼器可以有效的减少在地震,风,交通带来的桥体运动和所受应力。它的作用是明显,效果显著,最近几年来,在世界各新建大桥和老桥改造中都广泛的采用了这种新技术。它花钱不多,没有任何不良后果,对于新设计的桥梁,有时还可以节省开支。

原则上,桥和其它建筑结构不同,在大风和车辆运动中的运动在所难免,都可以采用这一先进技术。

以下桥梁我们更要强调它的使用:

此外,在地震时还有很多我们预想不到的振动破坏, 如,桥梁的竖向振动,扭转振动,不同点输入的地震波的影响,阻尼器很容易增加这些方面的抵抗能力。

尽管我国现有的设计规范并没有强迫使用阻尼器。但对这种技术成熟,在国际上已经广泛应用的新技术应该推荐使用。美国等先进国家已经给存在的大桥纷纷加上阻尼器。我国现有的很多大桥都存在不同的振动问题,绝大部分斜拉和悬索桥还没有经过地震的考验,但处于大风区的桥,有的已经有很严重的碰撞破坏,不得不减荷使用。我们新建的大桥,如果现在不加,等待以后再补,会带来经费和施工等困难和不方便。

很多人会问,我们的传统桥梁已经有几百年的抗风抗震历史,为什么还要考虑使用结构保护系统?这是因为:

2 阻尼器在桥梁上的应用所承受的动荷载

汇总一下阻尼器在桥梁上的应用上可以承受的动荷载有:

  1. 地震荷载,特别是在难于预测的超值地震的作用下的安全;

  2. 荷载,对高起的塔架,柔性的钢结构尤其重要;

  3. 车辆和行人机械振动荷载;

  4. 开启式桥梁开启时的振动荷载

  5. 桥梁的温度变形荷载

  6. 碰撞荷载,以上荷载所带来的桥梁各部分间的碰撞次生荷载。

3  Lock-up装置还是用粘滞阻尼器

泰勒公司的Lock-up装置可以看成一个简单的速度开关,当速度大于启动值时,装置启动,变成刚性连杆。但它没有耗能作用,也不能减少桥墩的受力。在中小地震地区(如7度以下的地震)的桥梁,为了控制大风和地震所带来的运动位移,可以采用简单经济的Lock-up装置,对于8度以上的地震区,我们推荐使用液体粘滞阻尼器,来控制地震下受力和位移。

4 Lock-up装置的设计

Lock-up装置的设计比较简单,主要要选择确定的参数有最大冲程,控制的速度和承受的力。在日常情况下,我们要允许装置在温度和常风下桥梁的自由变形。由此来确定Lock-up装置的最大冲程;对于主要用于控制地震的作用,控制速度通常选择在25-50mm/秒的速度上;承受力的设计,让我们在安放Lock-up装置的位置上换成一个刚性连杆,重新做一下整体受力计算。得到刚性连杆的内力。这一内力就可以做为我们Lock-up装置的设计力。一般的说,在设计Lock-up装置时,要完成下表1

1 Lock-up装置的设计参数

 1

所需Lock-up装置数量

 

 2

最大阻尼力(KN)

 

 3

最大冲程(mm)

 

 4

控制速度(mm/s

 

 5

使用温度范围

 

 6

最小安全系数(如果要求)

 

 7

最大装置尺寸 (如果空间有限)

 

 8

装置安置示意图 (如果已有)

 

对于初步设计,我们可以用下表2中的Lock-up装置的大小尺寸做参考。

2. Lock-Up 装置的参考尺寸

Model

Stroke

A
mm

B
mm

C
mm

D
mm

E
mm

F
mm

50

KN

304.8(±152.4)

1219.2

127.

31.75

35.56

31.75

27.94

250

KN

304.8(±152.4)

1346.2

177.8

38.1

48.26

50.8

33.02

500

KN

304.8(±152.4)

1346.2

190.5

63.5

81.28

120.65

55.88

1000

KN

304.8(±152.4)

1371.6

228.6

69.85

99.06

127.

60.96

1500

KN

304.8(±152.4)

1524.

292.1

76.2

107.95

133.35

68.58

3000

KN

304.8(±152.4)

1955.8

406.4

152.4

190.5

254.

121.92

4500

KN

304.8(±152.4)

2235.2

584.2

152.4

228.6

361.95

121.92

9000

KN

304.8(±152.4)

2590.8

660.

203.2

279.4

431.8

152.4

5Lock-up装置和阻尼器的安放位置

Lock-up装置和阻尼器主要是用来控制结构纵向位移(相对位移)的。原则上,它应该被安置在结构最大位移之处。如梁的两端,梁墩之间,塔梁之间。对于多跨简支梁,为了使结构形成一个整体,也有时设置在梁梁之间。或其它可能的相对位移的两处。如

它可以用来纵向运动,也可以用来控制横向运动,也可以选用与桥梁成45度角来控制纵横两个方向运动的阻尼器,坐落在美国洛杉机 I-5 91号高速公路连接桥就这样设置了阻尼器。起到了平面内纵横两个方向上的控制作用4

为了减少双层桥面的横向相对位移,可以安装成人字支撑的双层桥之间 如图5

1 桥梁阻尼器安装示意

2 桥面梁和塔之间阻尼器安置示意

3 梁和梁之间阻尼器安置 1 

 

    4  梁和梁之间阻尼器安置2

   

 5 I-5/91 HOV高速路

 

6 人字支撑阻尼器

6 设计阻尼比的选择

设计阻尼器前我们首先要设定一个目标阻尼比,通常我们桥梁结构的阻尼比为1%~5%。原则上我们可以提高到20%~50%。设定的太小,阻尼器的意义不大。设定太高了,对阻尼器的要求太高也不经济。一般按经验,我们常选定在20%左右。

7 设计阻尼力和最大冲程, 载荷组合

液体粘滞阻尼器的运动和阻尼力的关系式为:

 F = CVα              ----------------------1

这里,F 为阻尼力; C 为阻尼器的阻尼值;V为阻尼器两端间的相对运动速度而α为速度的指数。阻尼力和最大冲程这是阻尼器要设定的关键两个参数。按日前的研究情况,对于桥梁设计,没有一个简单的计算办法,通常需要先设定一个阻尼器杆单元参数,再用可以计算这种阻尼杆的计算机程序进行分析。通过计算机的计算分析可以得到新加阻尼杆的受力和最大位移。如果这一计算结果不能满足我们的设计要求,如位移过大,可以调整阻尼系数从新计算。如果受力过大,可以调整阻尼比或分成多个阻尼器解决。桥梁的最大位移要根据合理的载荷组合,同时考虑其他位移,如温度和风震。值得注意的是,一般不需要把各种荷载的最大值累加起来,没有必要,也很不经济。按我国规范规定的荷载组合,考虑日常正常使用时的温度和活载,再加上地震带来的位移就应该可以构成我们的阻尼器冲程。通常计算可以有下面三种组合:

1 最大温度位移+地震荷载

2 温度+活载

3 部分汽车荷载+整体温差+日常平均温差+地震荷载

有的桥梁可能的纵向位移太大。合理的在阻尼器运动的末段加大阻尼力,有目的的限制位移,也是一个值得推荐的方案。

8 速度指数的确定

公式(1)中的速度指数α,原则上可以取0.3-1之间进入非线性工作。 这时,对于同样的速度带来的阻尼力较小。换言之,对同样力大小的阻尼器,指数α越小,在一定的速度下,Vα 就越小,相应的阻尼值 C 就越大,阻尼器的效率就越高,阻尼器耗能也就越大。但考虑到过小的指数α会带来的实际困难,我们经常采用0.3-0.5 作为经验的设计参数。

9.设计的最终参数

阻尼器的设计所必需提供的最终参数列于表3

3  阻尼器的主要所需参数

 1

最大阻尼力(KN)

 

 2

最小安全系数

 

 3

从活塞位于中点计算,最小可以运动位移(最大冲程)(mm)

 

 4

阻尼系数  C (kN/(m/s)0.4)

 

 5

阻尼的速度指数 α

 

 6

使用温度

 

 7

最大风能输入(如果要求)

 

 8

最大的阻尼器尺寸 (如果空间有限)

 

 9

阻尼器的安置示意图 (如果已有)

 

4示出了为确定价格所必须提供的参数:

4  确定价格必要提供的参数

 1

所需阻尼器数量

 

 2

最大阻尼力(KN)

 

 3

最大冲程(mm)

 

10.阻尼器的尺寸

原则上说, 阻尼器的尺寸,要根据以上设计参数各案由泰勒公司提供。 初步设计中我们可以按以下参考数据给出:

4高性能液体粘滞阻尼器 High Capacity Fluid Viscous Dampers

 500 KN to 9000 KN Output

Model

A
mm

B
mm

C
mm

D
mm

E
mm

F
mm

500KN

3327.4

190.5

63.5

81.28

120.65

55.88

1000KN

3352.8

228.6

69.85

99.06

127.

60.96

1500KN

3505.2

292.1

76.2

107.95

133.35

68.58

3000KIP

3937.

406.4

152.4

190.5

254.

121.92

4500KN

4216.4

584.2

152.4

228.6

361.95

121.92

9000KN

4572.

660.4

203.2

279.4

431.8

152.4

11.桥梁上应用阻尼器的特点

一般说来,桥梁上应用阻尼器和建筑上应用的有所不同。一般阻尼力和阻尼器的冲程都比较大。

桥梁本身的荷载就比较大,使用的阻尼器有时又很集中,承受的阻尼力就比较大。当然,它的解决办法也比较简单。只要分散开多安置几个不仅阻尼力小了, 有时有可以承受扭转力,结构会更安全。

长度很大的桥梁,特别是悬索和斜拉桥梁,不仅长度很长,纵向的约束比较少,刚度相对比较小。温度,风荷载(静动风)带来的纵漂都很大,阻尼器所需要的最大冲程就很大。较难于满足,相应会带来阻尼器的价格也就比较高。我们主要用来抗地震的阻尼器要想在冲程上满足这些需求则很不经济。

通常,我们可以通过阻尼器之外的其他装置来限制部分地震之外的位移。它可以放在阻尼器耗能启动之前,也可以放在应用阻尼器之后。

12.阻尼器在桥梁上整体分析的办法

加上阻尼器后,应该作桥梁的整体动力分析, 用来判断阻尼器的最终使用效果。能考虑阻尼器的动力分析程序应该都可以采用。通常不外乎:

  1. 线性分析的振型分解法:我们可以先按线性考虑,将阻尼“杆件”的速度指数α取 1 进行分析。对于我们实际速度指数α取 0.3-0.5 的阻尼器,所设计应用的结构,总是偏安全。
  2. 非线形时程分析:将人工合成或适合的天然地震记录作为输入,使用SAP 2000 LARSA 等适用的时程分析的软件,直接输入阻尼器单元,就可以进行精确的非线性时程分析。

以上两种分析的结果都可以用来判断我们阻尼器的设计和使用是否合理。整体的桥梁结构是否安全。

13 美国设计规范的认同[3][4][5][12]

高质量的Taylor公司的液压粘滞阻尼器不仅赢得了学术界的赞同,带来了设计者、建设者的青昧,更重要的是取得了美国国家的有关规程规范编制者的认同,以至美国国家的有关规程规范的粘滞阻尼部分都是参考泰勒公司的阻尼器性能和计算方法制定的。我们知道,美国对规范的执行办法和我国不同,一般的说,美国的设计规范不是强行设计者强行使用。而是国家的有关部门,给出办法和指南,由各州自己决定是否执行,设计者负责并决定是否使用。

美国,特别是加州的主要设计规范指南都已经制定了这种粘滞阻尼器应用的章节,给出了设计办法,如: ATC33 Applied Technology Council         1995); FEMA 273, 274  (Federal Emergency Management Agency, 1997);    NEHRP 2000 Proposal 12-7 ( National Earthquake Hazards Reduction Program 2000)。对FEMA 273, 274 中的简化计算办法,美国专业委员会 2000年又作了补充修改,发表在FEMA 368中。2003年又通过了新修改的Chapter 15, Structures with Damping Systems 将公布在NEHRP 2003中。

所给出了的基于等效反应谱和振型分解法的简化计算办法已经得到了广泛的应用。其结果也和非线形的时程分析的办法的计算结果能很好的吻合。

     我国也已经有了关于阻尼器的相应建筑设计规范。我们相信,随着规范的完善和推广,一定会和美国日本等先进规范接轨。

14.       阻尼器的测试和验收

阻尼器的测试和验收是设计的另一个重要组成部分。

桥梁是百年大计, 对于阻尼器的测试和验收一定要满足以下三方面的要求:

A.     设计规范和规程

在我国暂时还没有有关规范前,可以参考采用相应的美国规定。如美国加州的有关规定“AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 和“FEMA 275  Federal Emergency Management Agency 对阻尼器制造的要求

B.     阻尼器的预先质量检测

泰勒公司的阻尼器经过了大量预先的原型检验,安装到结构上后的整体分析和振动台的试验和安装到桥梁上的实际观测。最有说服力的是美国科学基金会(NSF) 1995年组织的针对美国旧金山金门大桥工程,世界上最好的四种阻尼器的对比检验。采用其它阻尼器也应该有相应的检测史。

C.     出厂检验

泰勒公司的阻尼器出厂前都要邀请用户参与,观察全部产品检测。他们有世界最严格的检测过程。

泰勒公司的产品无条件的保修35年。只要按照所提供的维修手册去作,使用百年是完全可以作到的

15 基础隔振和TMD 减振系统上的配合使用

采用铅芯橡胶垫或其他的隔振支座的基础隔振系统,如果能配合使用阻尼器,能起到减少位移,同时又降低地震力的好效果。

在结构上加上小质量的TMD的谐振装置是我们结构工程师又一个巧妙抗震的办法。其中阻尼器又可以避免附加的谐振质量块产生过大的位移。这种复合的结构保护系统已经得到了成功的工程应用。特别是用来减少桥梁塔柱的风振,已经广泛的被采用。

其使用原理和设计计算办法我们都将另文介绍。

16 阻尼器的设计案例

到2003年年底,泰勒公司已经完成安装或正在完成的有世界上32个应用阻尼器桥梁工程。

我们把它列到表6中。为了设计者参考,这里较详细的列出其中几个。

5 几个阻尼器的详细设计

编号

项目

数量

最大阻尼力(KN

最大冲程)(mm)

阻尼系数  C (kN/(m/s)α)

阻尼的速度指数 α

使用温度

最大的阻尼器尺寸

(mm)

安置特点

1

海湾桥1

100

3115

178

3793.

0.3

-7-43.3OC

3080

 

2

海湾桥2

 

2450

584

1911.8

0.3

-7-43.3OC

3886

 

3

海湾桥3

 

2000

483

1591.2

0.3

-7-43.3OC

3730

 

4

Richmond 1

28

2225

508

1060.4

0.3

-7-54.4OC

5537.2

 

5

Richmond 2

 

1000

965

184.4

0.5

-7-54.4OC

5981.7

 

 

REFERENCES

[1]  T.T. Soong, G.F. Dargush: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, John Weley & Sons.

[2] M.C. Constantinou, T.T. Soong, G.F. Dargus: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, Monograph Series, MCEER

[3]  National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) 2000 Proposal 12-7 and Chapter 15, Structures with Damping Systems.

[4 ]   Fderal Emergency Management Agent (FEMA ) Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of  Buildings.” Reports        FEMA 273, P 2-23, FEMA 274, FEMA 368

[5]   ATC-33.03, BSSC Seismic Rehabilitation Project C9, Seismic Isolation and Energy Dissapation P 9-36,          Redwood City, CA

 [6]  Constantinou, M.C., Symans, M.D., 1992, “Experimental and Analytical Investigation of Seismic Response of Structures with Supplemental Fluid Viscous Dampers,” Technical Report NCEER-92-0032, National Center for Earthquake Engineering Research, Buffalo, New York.

[7]  Taylor, D.P., Constantinou, M.C., 1998, “Development and Testing of an Improved Fluid Damper Configuration for Structures having High Rigidity,” Proceedings of the 69th Shock and Vibration Symposium.

[8]  Highway Innovative Technology Evaluation Center (HITEC) of A service Center of the Civil Engineering Research Foundation (CERF): “ Summary of Evaluation Findings for the Testing of Seismic Isolation and Energy Dissipating Devices, CERF Report #40404 July 1999.

[9] Pre-qualification Testing of Viscous Dampers for the Golden Gate Bridge Seismic Rehabilitation

   Project, A report to T.Y. Lin International, Inc. and the Golden Bridge District, Report No EERCL/

   95-03, Earthquake Engineering Research Center, University of California at Berkeley, December

   1995”

[10] Section 32 Shock Transmission Units AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 2002 Interim Edition.

 [11] Douglas P. Taylor, History, Design, and Applications of Fluid Dampers in Structural Engineering.

[12] Oscar. Ramirez, M.C. Constantinou etc “ Development and Evaluation of Simplified Procedures for Analysis and Design of Buildings with Passive Energy Dissipation Systems. MCEER-00-0010 , 2001.

[13] AA Seleemah and M.C. Constantinou: Investigation of Seismic Response of          Buildings with linear       and Nonlinear Fouid Viscous Dampers”, National Center for Earthquake Engineering Research” NCEER-97-004, 1997.5.21. 

[14]      胡律贤地震工程学” P 284 地震出版社 1988

[15] Douglas P. Taylor,, Fluid Lock-Up Devices- A Robust Means to Control Multiple Mass Structural  Systems Subjected to Seismic or Wind Input.

[16] Amarnath Kasalanati and Michael C. Constantinou, Experimental Study of Bridge Elastomeric and Other Isolation and Energy Dissapation Systems with Emphasis on Uplift Prevention and High  Velocity Near-Source Seismic Excitation, July 1998.

[17] Michael C. Constantinou, S. Fujii, P. Tsopelas and S. Okamoto University at Buffalo-Taisei

Corporation Research Project on Bridge Seismic Isolation Systems.

[18] Michael C. Constantinou, Seismic Isolation of Bridges

[19] E.A. Delis, R.B. Malla, M. Madani and K.J. Thompson, Energy Dissipation Device in Bridges Using Hydraulic Dampers.

[20] William B. Caroland and Jorge M. Suarez The William H. Harsha Cable Stayed Bridge in

       Maysville, Kentucky.

[21] Douglas P. Taylor,, Damper Retrofit of the London Millennium Footbridge – Case Study in

 Biodynamic Design.