本書共五篇16章,首先概述了鐵路橋梁減隔震現(xiàn)狀、基本理論,基于性能的抗震設(shè)計方法以及阻尼器的選用分析等,然后采用多個工程案例介紹并分析了鐵路橋梁用減震器的抗震設(shè)計、鐵路橋梁剎車減震設(shè)計以及鐵路橋梁橫向振動控制,*后介紹了鐵路橋梁用阻尼器的測試。全書工程案例豐富,分析數(shù)據(jù)翔實,對鐵路橋梁抗震和減隔震的硏究與設(shè)計具有很好的借鑒作用。書中介紹的關(guān)于消能減震裝置的測試等相關(guān)內(nèi)容,同樣適用于建筑工程領(lǐng)域。
作為中國經(jīng)濟高速發(fā)展的一張名片,高速鐵路已經(jīng)成為我國國力和科技發(fā)展的重要標志。隨著高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,采用阻尼器對高速鐵路橋梁進行減震控制正成為一項重要的工程技術(shù)手段。一方面,阻尼器減震技術(shù)對鐵路橋梁地震作用下的位移、受力控制作用顯著,由于阻尼器的應(yīng)用,從根本上已經(jīng)提高和改善了鐵路橋梁的抗震能力,可以說這是鐵路橋梁建設(shè)史上的一次重大飛躍;另一方面,阻尼器極大地減輕了橋梁在高鐵運行過程中的受到的沖擊作用,提高了鐵路橋梁的整體耐久性和橋梁附屬結(jié)構(gòu)的使用壽命。當前,如何把我國這項技術(shù)提高到世界最先進的技術(shù)水平上并有效地廣泛應(yīng)用于鐵路工程領(lǐng)域,是我們鐵路工程建設(shè)者們應(yīng)該給予重視和解決的問題。
位于美國紐約州布法羅城的泰勒公司是世界上專業(yè)生產(chǎn)阻尼器的佼佼者。從1955年成立以來,公司就引領(lǐng)了美國吸能減震領(lǐng)域的先進技術(shù),為航天飛機、航天飛船(如阿波羅號登月飛船)、導(dǎo)彈、大炮、槍彈等軍工產(chǎn)品設(shè)計并生產(chǎn)了減震裝置。泰勒公司在世界上也首次成功地把其先進的液體黏滯阻尼器應(yīng)用到工程中,如在美國、加拿大、英國、日本等國家均有成功的工程案例。1998年,泰勒阻尼器進入中國市場,并成功應(yīng)用于北京站加固工程中,隨后又陸陸續(xù)續(xù)安置在一些國家重點工程中,如蘇通大橋、北京銀泰中心等。
泰勒公司有著非常不同的經(jīng)營理念。公司將撰寫的論文和試驗報告完整地公開于門戶網(wǎng)站上,供工程技術(shù)人員、在校師生下載參考。論文內(nèi)容主要包括產(chǎn)品特色、產(chǎn)品內(nèi)部的基本構(gòu)造,以及產(chǎn)品在加工制造過程中的細節(jié)處理,如:采用性能穩(wěn)定的二甲基硅油,而不采用溫度穩(wěn)定性差的膠泥作為介質(zhì);采用小孔射流技術(shù)代替性能不穩(wěn)定的閥門產(chǎn)品;提示阻尼器需要足夠的功率來消耗所產(chǎn)生的熱量,從而避免漏油。其中,泰勒阻尼器的幾張小孔激流圖片甚至成為了結(jié)構(gòu)工程研究生教材的范本。
泰勒公司憑借著技術(shù)優(yōu)勢,獲得了國際工程界的認可。2015年5月19日,在世界高層都市建筑學(xué)會(CTBUH)召開的阻尼專家組會議上,泰勒公司成為唯一被邀請的減震裝置廠家代表,并被委托撰寫學(xué)會專題論文,以及提供北京銀泰中心、北京盤古大觀、天津國際貿(mào)易中心、武漢保利大廈、重慶朝天門工程等多個座超高層建筑的案例研究。
自1998年以來,隨著泰勒公司進入中國市場,我國阻尼器行業(yè)也獲得了極大的發(fā)展,目前我國已經(jīng)發(fā)布了《橋梁用黏滯流體阻尼器》(JT/T 926)、《建筑消能減震技術(shù)規(guī)范》(JGJ 297)兩項行業(yè)標準。如果阻尼器完全按照行業(yè)標準進行認真嚴格測試(特別是《橋梁用黏滯流體阻尼器》中阻尼器的內(nèi)壓測試),那么阻尼器的質(zhì)量應(yīng)該是可以得到保證的。作為承擔鐵路橋梁重要保護作用的阻尼器,其重要性不言而喻,必須有經(jīng)得起時間考驗的、嚴格的產(chǎn)品質(zhì)量判別標準。筆者認為,從應(yīng)用和耐久性等方面來看,適用于鐵路橋梁的阻尼器應(yīng)具有如下幾點特征:
其一,參數(shù)可以準確地定量。鐵路橋梁上經(jīng)優(yōu)化并準確定量計算得到的阻尼器參數(shù),必須在真實環(huán)境(即各種復(fù)雜條件)下都能滿足理論計算所用到的本構(gòu)關(guān)系。參數(shù)中所要求的速度指數(shù)在02~20之間,是由設(shè)計者優(yōu)化結(jié)果指定的速度指數(shù)。
其二,不設(shè)閥門和油庫。三十年前,世界很多阻尼器廠家都在設(shè)備外(或內(nèi))設(shè)置儲能器、儲油庫以及控制閥門,設(shè)有這種閥門、油庫的阻尼器存在耐久性較差、過載后引起副作用、具有頻率相關(guān)性以及不能進行縮尺試驗、由于連接間隙造成微小振動盲區(qū)等諸多問題。這種技術(shù)落后的產(chǎn)品,容易在振動時損壞。此類阻尼器的缺陷,可以通過嚴格檢測,特別是大量試件的超載測試、本構(gòu)關(guān)系測試和長期使用的觀測后被發(fā)現(xiàn)。
其三,需要實現(xiàn)不漏油。不可否認,液體阻尼器的漏油問題一直存在,這一問題有時甚至影響到設(shè)計人員對是否使用減震技術(shù)的最終決定。一些廠家僅僅以普通的液壓技術(shù)處理阻尼器的密封問題,而實質(zhì)上阻尼器和各種油泵的技術(shù)完全不同。真正解決漏油問題,需要采用先進的設(shè)計理念,以及精密的加工、檢驗。采用上百萬次以上的循環(huán)試驗可以較為快速地模擬阻尼器在真實情況下的運行情況,同時通過測試阻尼器腔體的內(nèi)壓以量化阻尼器漏油情況,進而評估其密封性能,分辨出漏油產(chǎn)品。
其四,低速性能表現(xiàn)良好。鐵路橋梁日常主要承受車輛動力荷載和風荷載,阻尼器安置于橋梁后一般情況下以很低的速度持續(xù)地工作,應(yīng)始終按本構(gòu)關(guān)系正常發(fā)揮其減震功效。阻尼器的摩阻力在一般設(shè)計計算中可能沒有涉及,但如果過大會影響到阻尼器的基本性能。實現(xiàn)較小的阻尼器內(nèi)摩擦是阻尼器的關(guān)鍵技術(shù)。總之,在大荷載、大沖程、短時間或小荷載、小沖程、長時間的情況下,阻尼器應(yīng)該都能有效地工作。
其五,具有足夠高的安全系數(shù)。在超大地震發(fā)生時,阻尼器不應(yīng)被破壞,能否起到抗震作用至關(guān)重要。近幾年來,在汶川、智利等超出設(shè)計范圍的大震對結(jié)構(gòu)造成了嚴重破壞。因此,具有足夠高的安全系數(shù)是阻尼器耗能抗震、能抵御超強地震的必要條件。
一個好的阻尼器產(chǎn)品,應(yīng)該能夠滿足工程需求,保護結(jié)構(gòu)安全。因此,針對橋梁工程的不同需求,需要研發(fā)生產(chǎn)多種類型的阻尼器,如:可用于連續(xù)工作的金屬密封的阻尼器,帶限位的大型阻尼器,懸索橋應(yīng)用的大運動量的阻尼器,特大受力、特大沖程的阻尼器等。
能合格應(yīng)用75年以上的阻尼器產(chǎn)品在安裝前一定要經(jīng)過嚴格的檢測。我們一直期望我國能實現(xiàn)像美國土木工程學(xué)會20世紀90年代組織進行的聯(lián)合預(yù)檢測,只可惜至今仍未實現(xiàn)。目前我國工程已經(jīng)安置的阻尼器中,很多都沒有經(jīng)過預(yù)檢測;一些國際上已被證實不適用于鐵路工程的產(chǎn)品,在我國仍被使用。
時代在發(fā)展,社會在進步。阻尼器新技術(shù)的出現(xiàn)并獲得成功,絕不能一蹴而就,新技術(shù)從研發(fā)到產(chǎn)品商業(yè)化,絕不是邊研制、邊生產(chǎn)的過程。如果僅靠新產(chǎn)品專家鑒定會評審意見,沒有經(jīng)過實際工程考驗和多次、多方測試鑒定,就將產(chǎn)品廣為推廣和使用,既是一種不科學(xué)的態(tài)度,也是不負責任的行為。當前,在我國高鐵快速發(fā)展的階段,鐵路橋梁正處于廣泛應(yīng)用阻尼器的初期,阻尼器用量龐大,因此必須嚴格把控產(chǎn)品質(zhì)量?吹絿覍Y(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)的支持和鼓勵,阻尼器行業(yè)在不斷發(fā)展壯大,筆者甚感欣慰。
本書的出版,旨在向讀者介紹阻尼器的特征和性能,向工程設(shè)計人員提供一些典型工程案例供參考。同時,也希望本書的出版能夠進一步引導(dǎo)和鼓勵阻尼器行業(yè)朝著健康有序的方向發(fā)展,造福人類,服務(wù)社會。在此,我要特別提及如下諸位同仁:
首先,我要感謝美國泰勒公司的Douglas Taylor總裁、Mr Alan副總裁、Mr Robert Schneider和Mr Craig Winter銷售工程師,以及美國紐約州立大學(xué)布法羅分校MCConstantinou教授一直以來對我們工作的指導(dǎo)和幫助!
其次,本書的順利出版與鐵道部退休教授張紅旭和李吉林處長的鼓勵和支持密不可分。本書收集的實際工程算例大多取自我們參與的項目,沒有鐵一院、鐵二院、鐵三院和中鐵工程設(shè)計咨詢公司的陳克堅、楊正武、李鳳琴、劉偉、陳頻志、曾永平、陳思孝、顏志華、歐陽輝來、許振東、周岳武、雷小峰、鄢玉勝、艾智能、戴曉春、胡玉珠、楊熹文等領(lǐng)導(dǎo)和工程師們的合作幫助,我們是不能完成這些工作的,在此向他們表示感謝!本書部分內(nèi)容是在燕山大學(xué)土木工程系鄭久建教授的指導(dǎo)以及蔣超、申現(xiàn)龍、雷大根、張朋宇、劉曉豐的參與下完成的,再次向鄭教授團隊表示感謝!
再次,美國阿拉斯加大學(xué)劉荷教授退休后來我公司工作,她嚴謹和精益求精的學(xué)術(shù)精神令人欽佩,她多次對本書各章節(jié)提出了寶貴的修改意見,在此對劉荷教授表示感謝!
最后,我還要介紹一些現(xiàn)在和過去的同僚,他們是吳福春、崔禹成、鄭銘、楚志堅、曹鐵柱等,本書的出版離不開他們出色的工作,在此向他們表示感謝!
陳永祁,男,美國國籍。1966年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)土木建筑系結(jié)構(gòu)專業(yè)。1968年~1978年先后就職于第一機械工業(yè)部陜西三線工廠和紡織工業(yè)部設(shè)計院,從事設(shè)計、施工工作八年,擔任設(shè)計工程師兩年。1978年進入中國建筑科學(xué)研究院研究生院學(xué)習(xí),1981年畢業(yè)并獲得碩士學(xué)位后開始在建研院抗震所工作。1986年在美國紐約州立大學(xué)布法羅分校土木建筑系攻讀博士學(xué)位。1989年~1993年在美國設(shè)計核電站公司先后擔任工程師、高級工程師。1991年創(chuàng)辦美國藍湖國際公司,1998年任美國Taylor公司中國代理、高級工程師,2005年創(chuàng)辦北京奇太振控科技發(fā)展有限公司。自1998年以來,完成了北京銀泰中心、北京盤古大觀、天津國貿(mào)中心等20多個建筑阻尼器工程,蘇通長江大橋、西堠門跨海大橋、印度尼西亞馬都拉跨海大橋、云南龍江特大橋等48個橋梁阻尼器工程,并獲得四項相關(guān)專利。截至目前,已出版《橋梁工程液體黏滯阻尼器設(shè)計與施工》《結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展》《橋梁地震保護系統(tǒng)》等專著,發(fā)表土木工程領(lǐng)域的論文60余篇。
趙前進,男,1974年出生。1997年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院土木工程系橋梁工程專業(yè),大學(xué)本科,獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2013年獲西南交通大學(xué)工程碩士學(xué)位。1997年~2005年,就職于中鐵二院昆明公司擔任設(shè)計工程師。2005年進入昆明鐵路局項目管理中心工作,高級工程師職稱,現(xiàn)任昆明鐵路局滇南鐵路建設(shè)指揮部總工程師兼鐵路總公司建設(shè)工程專家、昆明鐵路局建設(shè)工程專家。曾獲得中國鐵道學(xué)會鐵道科技獎二等獎兩項,在省部級及以上刊物公開發(fā)表過多篇論文。
馬良男,1973年出生。1996年畢業(yè)于吉林建筑工程學(xué)院土木工程系土木工程專業(yè)。2001年進入哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院攻讀碩士學(xué)位,從事結(jié)構(gòu)耗能減震方面的研究工作。2005年前,先后就職于北京市建筑工程研究院檢測所和中國電子工程設(shè)計院,分別從事建筑材料檢測、結(jié)構(gòu)構(gòu)件樁基檢測以及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作。2005年進入北京奇太振控科技發(fā)展有限公司,負責耗能減振技術(shù)的應(yīng)用開發(fā),陸續(xù)參與了多項高層建筑、大跨橋梁結(jié)構(gòu)的抗震抗風計算分析及現(xiàn)場工作。截至目前,在土木工程領(lǐng)域發(fā)表論文20余篇。
第一篇綜述1
1概述3
1.1鐵路橋梁抗震和減隔震現(xiàn)狀3
1.2橋梁減隔震基本理論5
1.3橋梁用減隔震裝置6
1.4國際減隔震裝置生產(chǎn)商10
2基于性能的抗震設(shè)計方法12
2.1基于性能的地震工程第一代工具12
2.2基于性能的地震工程第二代工具13
2.3基于性能抗震設(shè)計的主要內(nèi)容14
2.4我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范與基于性能的抗震思想17
2.5基于性能抗震設(shè)計方法18
2.6結(jié)論21
3鐵路橋梁用減震器裝置選用22
3.1具有初始力橋梁阻尼器的適用性分析22
3.2速度指數(shù)為0.1的阻尼器適用性分析24
3.3鐵路橋梁工程應(yīng)用的阻尼器產(chǎn)品類型26
3.4天興洲MR與黏滯阻尼器混合控制31
3.5黏滯阻尼器和摩擦擺配合使用33
3.6結(jié)論35
第二篇鐵路橋梁用減震器的抗震設(shè)計及應(yīng)用37
4社棠渭河特大橋減隔震設(shè)計39
4.1概述39
4.2模型的建立與阻尼器參數(shù)的選擇39
4.3減震效果分析43
4.4結(jié)論48
5津秦客專大跨度連續(xù)橋減震設(shè)計49
5.1概述49
5.2速度鎖定裝置參數(shù)的選取50
5.3速度鎖定裝置減震效果分析50
5.4結(jié)論55
6烏錫線黃河特大橋減震設(shè)計56
6.1引言56
6.2結(jié)構(gòu)特性及阻尼器的設(shè)置56
6.3地震作用下的結(jié)構(gòu)控制效果57
6.4結(jié)論60
7明月峽長江大橋消能減震設(shè)計61
7.1工程概況61
7.2結(jié)構(gòu)模型及模態(tài)分析64
7.3阻尼器參數(shù)優(yōu)化66
7.4阻尼參數(shù)選取77
8元江雙線特大橋減震設(shè)計78
8.1概述78
8.2結(jié)構(gòu)的動力特性分析79
8.3基于黏滯阻尼器的減震分析82
8.4阻尼器參數(shù)優(yōu)化結(jié)果及方案設(shè)計93
8.5非線性時程分析的減震效果95
9東平水道橋消能減震設(shè)計99
9.1結(jié)構(gòu)體系和減震方案99
9.2結(jié)構(gòu)模型和模態(tài)分析100
9.3地震作用下減震設(shè)計102
9.4熔斷鎖定裝置和阻尼器性能110
10景洪瀾滄江大橋抗震性能評估的Pushover分析112
10.1引言112
10.2側(cè)向荷載模式113
10.3實例分析113
10.4結(jié)果分析116
10.5結(jié)論120
第三篇鐵路橋梁剎車減震控制121
11概述123
11.1引言123
11.2鐵路荷載的特殊性124
11.3鐵路橋梁的振動控制126
11.4鐵路橋梁用減震設(shè)備的特殊要求130
11.5工程實例簡介130
11.6結(jié)論134
12元江大跨鐵路鋼桁拱橋減震設(shè)計分析135
12.1引言135
12.2控制剎車荷載用鎖定裝置方案135
12.3計算過程136
12.4鎖定裝置的減震效果143
12.5新型帶熔斷鎖定裝置144
13韓家沱長江大橋減震設(shè)計分析145
13.1引言145
13.2韓家沱長江大橋減震設(shè)計145
13.3地震波的選擇146
13.4阻尼器參數(shù)優(yōu)化147
13.5韓家沱長江大橋制動荷載控制分析149
13.6結(jié)論152
第四篇鐵路橋梁橫向振動控制153
14橋梁橫向減隔震155
14.1橋梁設(shè)置橫向減隔震措施的必要性155
14.2橋梁橫向減隔震技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況156
14.3橋梁橫向減隔震基本原理157
14.4橫向激勵158
14.5橫向減隔震措施與裝置160
14.6案例分析162
14.7展望165
第五篇鐵路橋梁用阻尼器測試167
15云南龍江大橋液體黏滯阻尼器測試169
15.1引言169
15.2阻尼器的檢驗測試169
15.3龍江大橋阻尼器的檢測170
15.4結(jié)論及建議181
16社棠渭河特大橋阻尼器測試182
16.1阻尼器測試計劃182
16.2阻尼器檢測結(jié)果182
16.3結(jié)論及建議186
參考文獻188