天津永定新河特大橋南引橋隔震效果理論分析研究

張振學(xué)， 呂 晶, 袁 涌， 樊 劍

(1. 天津城建設(shè)計(jì)研究院， 天津 253019;2.中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司, 北京 100038;3.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院; b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)工程開始向地震多發(fā)區(qū)、高烈度地震區(qū)延伸。高烈度地震對(duì)公路橋梁，特別是對(duì)高墩連續(xù)體系橋梁的破壞是巨大的[1]。為防止類似臺(tái)灣“9·21”地震災(zāi)害中大量橋梁破壞，避免影響震后救災(zāi)工作，防止次生災(zāi)害的發(fā)生，需要提高這些高烈度地震區(qū)域內(nèi)橋梁的抗震能力，而普通的盆式橡膠支座和板式橡膠支座等早已難以勝任，解決思路也開始由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震向結(jié)構(gòu)隔震方向轉(zhuǎn)變。依靠隔震支座延長(zhǎng)橋梁的自振周期，增加橋梁結(jié)構(gòu)的附加阻尼，從而降低橋梁的地震力[2～4]。

永定新河特大橋工程位于塘沽區(qū)，是塘漢快速路工程中規(guī)模最大的一座重點(diǎn)橋梁工程。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《塘漢快速工程—永定新河特大橋巖土工程詳細(xì)勘察中間資料》，永定新河特大橋橋址場(chǎng)地地震基本烈度為8度、設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類型為中軟土、場(chǎng)地類別為Ⅲ類，屬抗震不利的地段。永定新河特大橋采用混凝土結(jié)構(gòu)、自重較大，由強(qiáng)震產(chǎn)生的水平地震力十分可觀，相關(guān)構(gòu)件尤其是下部墩柱基礎(chǔ)很難承受。而該橋作為特大型橋梁，有必要確保其具備一定抗震能力。因而對(duì)北引橋采用鉛芯隔震橡膠支座隔震技術(shù)來降低地震力[5～7]。

本文對(duì)天津永定新河特大橋南引橋減隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行非線性時(shí)程有限元分析，實(shí)現(xiàn)天津永定新河特大橋鉛芯橡膠隔震支座的設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化，同時(shí)檢驗(yàn)該橋在地震作用下能否滿足預(yù)期的功能要求，從理論上對(duì)天津永定新河特大橋的減震效果進(jìn)行研究。

1 有限元模型

1.1 工程介紹

永定新河特大橋是塘漢快速路重要組成節(jié)點(diǎn)的橋梁工程，同時(shí)也是塘漢快速路工程中規(guī)模最大的一座重點(diǎn)橋梁工程，位于塘沽區(qū)。全橋由南側(cè)引橋、主橋及北側(cè)引橋三部分組成，總長(zhǎng)1132.86 m，橋梁工程總面積為42705 m2。南側(cè)引橋上下行分幅設(shè)置，單幅橋?qū)?8.0 m，跨徑布置為4×30 m+4×40 m預(yù)制預(yù)應(yīng)力小箱梁，共計(jì)2聯(lián)8孔橋，全長(zhǎng)280 m。整個(gè)南側(cè)引橋1號(hào)至7號(hào)橋墩采用實(shí)心圓形截面，直徑為1.6 m；與主橋相連的8號(hào)邊墩為矩形截面，其截面為3.3 m×3.0 m(邊)與3.3 m×3.5 m(中)。引橋主梁采用C50混凝土，所有橋墩及邊墩均采用C40混凝土， 橋面鋪裝層由上到下為4 cm 厚細(xì)粒式瀝青混凝土、5cm 厚中粒式瀝青混凝土和10 cm 厚C50防水混凝土。該引橋位于八度區(qū)，擬對(duì)該引橋進(jìn)行隔震和非隔震計(jì)算。1～3號(hào)墩在各片箱梁下設(shè)置的隔震支座型號(hào)為J4Q420×420×134，5～7號(hào)墩在各片箱梁下設(shè)置的隔震支座型號(hào)為J4Q420×420×179，分隔墩上面布置的是滑移支座。該引橋的橋型如圖1所示。

圖1 永定新河特大橋北側(cè)引橋橋型圖

1.2 支座性能實(shí)驗(yàn)

為了確保分析的準(zhǔn)確性，對(duì)鉛芯隔震橡膠支座進(jìn)行了基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的試件為J4Q420×420×179和J4Q420×420×134支座。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.3 有限元模型

采用有限元程序Ansys對(duì)該大橋進(jìn)行抗震計(jì)算，由于該引橋?yàn)樯稀⑾码p幅，且上、下幅對(duì)稱，結(jié)構(gòu)在中央分隔帶處斷開， 故只需計(jì)算其中一幅引橋， 按照該橋梁實(shí)際設(shè)計(jì)中的各梁段塊件的劃分進(jìn)行橋梁有限單元?jiǎng)澐郑?采用空間梁?jiǎn)卧猙eam188模擬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主梁和橋墩；二期恒載采用集中質(zhì)量單元mass21模擬；隔震支座和滑移支座用非線性單元combine39單元來模擬；由于地基土質(zhì)較好，沒有考慮樁土對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性約束作用[8,9]。橋梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖2所示。

橋梁的材料特性為主梁采用C50號(hào)混凝土，彈性模量35000 MPa，泊松比0.1667，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89 MPa，容重25 kN/m3；南側(cè)引橋全部橋墩均采用C40 號(hào)混凝土，彈性模量31500 MPa，泊松比0.1667，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa。Ansys程序可自動(dòng)計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的自重，二期恒載包括橋面鋪裝層為4 cm 厚細(xì)粒式瀝青混凝土、5 cm 厚中粒式瀝青混凝土、10 cm 厚C50防水混凝土和護(hù)欄自重， 采用集中質(zhì)量加在柱頂。用非線性摩擦滑移單元Combine39來模擬滑移支座。

1.4 自振特性分析

采用子空間疊代法求解引橋的動(dòng)力特性，按照公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)分析中對(duì)應(yīng)于振型的有效質(zhì)量總和(即振型參與質(zhì)量) 要占總質(zhì)量的90 %以上， 故為了保證計(jì)算精度， 滿足振型在各個(gè)方向的軸線參與質(zhì)量之和達(dá)到要求，對(duì)該橋梁共計(jì)算了50階振動(dòng)頻率和振型。由于一般情況下結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型起控制作用，限于篇幅，只給出了該橋梁前10階振動(dòng)頻率和振型，其中非隔震自振頻率和自振周期計(jì)算結(jié)果列于表2， 隔震自振頻率和自振周期計(jì)算結(jié)果列于表3。從計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的第一自振周期由隔震前的0.3671 s增長(zhǎng)到隔震后的0.7 s。

表2 非隔震橋梁振動(dòng)頻率和振動(dòng)周期

表3 隔震橋梁振動(dòng)頻率和振動(dòng)周期

圖3 加速度時(shí)程圖

圖4 輸入地震波反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比

2 分析用地震波

在進(jìn)行地震時(shí)程響應(yīng)計(jì)算時(shí)，依據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)采用多條地震波進(jìn)行計(jì)算分析，為便于比較，現(xiàn)選用5條地震波進(jìn)行分析，分別為四條與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相容的天然波(Taft波、天津波、El Centro波和Kobe波)和一條由設(shè)計(jì)反應(yīng)譜擬合的人工波。E1下這五條地震波的加速度峰值為0.102g，E2下的加速度峰值為0.408g。圖3給了它們峰值加速度為0.102g的加速度時(shí)程曲線圖。

3 時(shí)程分析結(jié)果

3.1 E1地震反應(yīng)

輸入上一節(jié)的五條地震波，計(jì)算橫橋向和順橋向的橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，由于在E1地震作用下隔震效果不明顯，限于篇幅，只給出了非隔震結(jié)果。表4給出了各條地震波作用下順橋向和橫橋向的最大位移響應(yīng)；表5和表6給出了各條地震波作用下順橋向和橫橋向的最大內(nèi)力響應(yīng)。表中彎矩的單位為kN·m，力的單位為kN，位移的單位為m。

表4 E1地震作用下梁體位移

表5 E1地震作用下順橋向墩底最大彎矩及剪力

表6 E1地震作用下橫橋向墩底最大彎矩及剪力

3.2 E2地震反應(yīng)

輸入上一節(jié)的五條地震波，計(jì)算橫橋向和順橋向的橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，由于篇幅的限制，本文中僅給出順橋向的地震反應(yīng)，表7、8分別給出了各條地震波作用下順橋向和橫橋向在非隔震與隔震狀態(tài)下梁的最大位移響應(yīng)；表9和表10分別給出了各條地震波作用下順橋向在非隔震與隔震狀態(tài)下最大內(nèi)力響應(yīng)。表11給出了隔震率。

表7 E2地震作用下非隔震狀況下梁體最大位移

表8 E2地震作用下隔震狀況下梁體最大位移

表9 E2地震作用下非隔震狀況下

表10 E2地震作用下隔震狀況下

4 結(jié) 論

(1)在順橋向或橫橋向E1地震作用下，隔震和非隔震橋墩的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(2)在E2地震作用下，非隔震時(shí)順橋向墩頂最大位移0.037 m和橫橋向墩頂最大位移0.019 m；隔震時(shí)順橋向40米跨連續(xù)梁在天津波作用時(shí)位移最大(0.2245 m)，并且是其他四條波的2～3倍。

(3)在天津波E2作用下，J4Q420×420×179G1隔震支座的最大變形量達(dá)到了0.225 m，剪切應(yīng)變?yōu)?26%，小于規(guī)范規(guī)定的250%，滿足要求，J4Q420×420×134G1隔震支座的最大變形量達(dá)到了0.123 m，剪切應(yīng)變?yōu)?2%，小于規(guī)范規(guī)定的150%，滿足要求，隔震結(jié)構(gòu)在地震作用過程中產(chǎn)生了殘余變形。在其他幾條地震波作用下支座的變形量未超過0.10 m，殘余變形相對(duì)來說小很多。

(4)從表中可以看出順橋向的彎矩和剪力的減震系數(shù)大部分都達(dá)到了30%以上，有效地減少了橋墩產(chǎn)生的地震力，提高了橋梁的安全性。

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