高烈度區(qū)新型減隔震連續(xù)梁橋的抗震性能

王 浩 王春峰 李愛群 吳繼榮

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096)

(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

作為主要自然災(zāi)害之一，地震嚴(yán)重威脅了人類的生命財(cái)產(chǎn)安全［1］.近年來國內(nèi)外頻發(fā)的多起大地震造成了慘痛的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失.地震通常會(huì)導(dǎo)致橋梁等生命線工程的破壞，重要橋梁的損毀更是給抗震救災(zāi)帶來困難.因此，采取有效措施以提高橋梁的抗震性能具有深遠(yuǎn)意義.

連續(xù)梁橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、橋面伸縮縫少、橋面平整度較好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市高架橋和一些特大跨橋梁的引橋中.然而，混凝土連續(xù)梁橋的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)主要是從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性方面考慮［2-3］.這種傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的性能來抵御地震作用.鑒于地震強(qiáng)度與發(fā)生時(shí)間的不可預(yù)測(cè)性，結(jié)構(gòu)的抗震性能不具備自我調(diào)節(jié)與控制能力，過大的安全儲(chǔ)備往往導(dǎo)致建造成本的提高，相反則會(huì)影響其安全服役性能.

減隔震技術(shù)的應(yīng)用能避免或減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用.目前，將減隔震技術(shù)用于提高橋梁抗震性能方面已取得了一定進(jìn)展［4-6］，主要針對(duì)的是大跨度斜拉橋［7］、懸索橋［8-9］等.部分學(xué)者對(duì)混凝土連續(xù)梁橋的減隔震也進(jìn)行了研究［10-12］，但還不夠深入.本文針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)服役期間的受力與變形需求，設(shè)計(jì)了一種新型減隔震支座，并以西安太白大橋?yàn)槔?，?duì)新型減隔震支座的綜合性能進(jìn)行了分析，旨在為高烈度地區(qū)連續(xù)梁橋的減隔震設(shè)計(jì)與研究提供參考.

1 工程背景

太白大橋?yàn)?8 m+66 m+48 m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋(見圖1)，全長162 m，橋?qū)?2.0～25.5 m.主梁采用單箱五室截面，中支點(diǎn)梁高3.6 m，跨中梁高 1.7 m，端支點(diǎn)梁高 1.7 m，梁高變化采用二次拋物線.10#橋墩處設(shè)置固定盆式支座，其他均為雙向滑動(dòng)支座.9#和10#橋墩采用2.2 m ×2.5 m 矩形墩，8#和 11#橋墩采用 1.6 m ×2.0 m矩形墩.樁基為直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，樁間設(shè)承臺(tái)連接.橋址區(qū)地震基本烈度為8度，屬高烈度區(qū)，應(yīng)進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì).

圖1 太白大橋總體布置圖(單位:cm)

2 動(dòng)力計(jì)算模型

基于ANSYS軟件建立了該橋的有限元模型(見圖2).上部梁體、墩柱、主梁均采用Beam4單元模擬［13］.為了模擬支座單元，在固定墩處將3個(gè)線自由度和繞縱軸的角自由度耦合，其余兩自由度釋放;在雙向滑動(dòng)支座處將豎向和橫橋向的線自由度及繞縱軸的角自由度耦合，其余三自由度釋放.墩底固結(jié)，不考慮樁土相互作用.

圖2 連續(xù)梁橋有限元模型

將2個(gè)Combin39單元串聯(lián)，以模擬新型減隔震支座的剪切性能，該單元的幾何特性見圖3.

圖3 Combin39單元構(gòu)造示意圖

上部滑移區(qū)段和滑移后隔震區(qū)段的受力性能如圖4所示，可通過設(shè)置Combin39單元的實(shí)常數(shù)來模擬.圖4中，Ks為滑移摩擦裝置的初始剛度，此值較大;K1和K2分別為鉛芯橡膠墊的屈服前、后的剛度;點(diǎn)(Xs，F(xiàn)s)為滑移摩擦區(qū)間的終點(diǎn)，點(diǎn)(Xs，0)為隔震區(qū)間的起始點(diǎn).定義點(diǎn)(0，0)到(Xs，0)過程沿位移變化，以體現(xiàn)滑移的效果.

圖4 新型減隔震支座受力曲線圖

3 動(dòng)力特性分析

采用子空間迭代法對(duì)該橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析.表1列出了結(jié)構(gòu)前6階自振頻率及其對(duì)應(yīng)振型特點(diǎn).由表可知，該橋的一階振型為主梁縱飄，故其梁墩的相對(duì)位移應(yīng)予以重視［8］.

表1 太白大橋動(dòng)力特性

4 地震波的選取

中國地震局監(jiān)測(cè)中心對(duì)該橋所屬工程場(chǎng)地進(jìn)行了地震危險(xiǎn)性概率分析，提供了橋址區(qū)50年超越概率為40%，10%，2%的人工擬合地震波各3條，其相關(guān)特性見表2.

表2 橋址區(qū)水平峰值加速度及特征周期

該橋跨徑小于150 m，抗震設(shè)防類別為B類.故選取50年超越概率為10%和2%的4條人工波以及1條天然波(El-Centro波)作為地震動(dòng)輸入，分別表示為地震波DZB1～DZB5，其加速度時(shí)程見圖5.考慮到地震波頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的重要影響，對(duì)所選地震波進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果見圖6.各地震波的特征參數(shù)見表3.

圖5 各地震波加速度時(shí)程

圖6 各地震波功率譜密度

表3 地震波主要參數(shù)

5 地震響應(yīng)時(shí)程分析

基于ANSYS的瞬態(tài)分析功能，計(jì)算了該橋在不同支承方式下的地震響應(yīng).地震動(dòng)沿縱橋向輸入，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05.為定量分析新型減隔震支座的減震效果，定義相對(duì)減震率λ如下:

式中，A1和A2分別為采用新型減隔震橋梁和對(duì)比方案的地震響應(yīng).

5.1 新型減隔震支座及其相關(guān)參數(shù)

新型減隔震支座的外形及構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖7所示，該支座由上部滑移裝置和下部隔震裝置2個(gè)部分組成.其中，上連接板、光面不銹鋼板、聚四氟乙烯板、擋塊、上頂板5個(gè)部分組成上部滑移部分;鉛芯橡膠墊和下連接板組成下部隔震部分.

圖7 新型減隔震支座模型

橋梁新型減隔震支座上部滑移裝置的摩擦系數(shù)取0.01，下部采用直徑為1 200 mm的鉛芯橡膠墊，橡膠剪切模量為0.392 MPa，橡膠總厚度為203 mm，屈服前剛度為21.980 MN/m，屈服后剛度為2.198 MN/m，屈服力為 360.6 kN，等效阻尼比為26.5%.這種新型減隔震支座的相關(guān)性能已進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［4］.作為典型范例，圖8給出了試驗(yàn)所得減隔震支座在350 kN豎向力、0.1 Hz加載頻率作用下的剪切性能滯回曲線.

圖8 減隔震支座剪切性能試驗(yàn)滯回曲線

5.2 與傳統(tǒng)非隔震體系的對(duì)比

分別計(jì)算了該橋采用新型減隔震支座和傳統(tǒng)非隔震體系(采用1個(gè)固定鉸支座和3個(gè)活動(dòng)鉸支座)時(shí)的地震響應(yīng).梁墩相對(duì)位移和固定墩底部彎矩的地震響應(yīng)見圖9.

圖9 太白大橋地震時(shí)程響應(yīng)對(duì)比

由圖9(a)和(c)可知，在E1和E2地震作用下，采用新型減隔震支座的梁墩縱向相對(duì)位移總體大于非隔震橋梁，其位移發(fā)展表現(xiàn)出均值不為0的往復(fù)震蕩，且地震后該值明顯偏離起始位置，說明新型支座上部滑移裝置發(fā)揮了作用，震后的梁墩未能恢復(fù)到初始位置.由圖9(b)和(d)可知，采用新型支座后，固定墩底部彎矩相比非隔震橋梁明顯降低，說明其隔震效果得到了有效發(fā)揮.采用新型支座時(shí)各地震下的減震率見表4.表中，梁墩相對(duì)位移是指主梁端部與8#橋墩頂間的縱向相對(duì)位移.

表4 新型減隔震支座的相對(duì)減震率 %

由表4可知，與非隔震橋梁相比，新型減隔震連續(xù)梁橋固定墩的墩底彎矩和墩頂絕對(duì)位移均減小90%以上，固定墩的底部剪力也大幅下降，活動(dòng)墩的墩底內(nèi)力有所提高.由此表明，新型支座對(duì)連續(xù)梁橋地震響應(yīng)具有較好的控制能力，可使地震能量在各橋墩間更為合理地分配，并通過其耗能作用提升了結(jié)構(gòu)的抗震性能.在采用新型支座后，梁墩的相對(duì)位移明顯增大，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需注意內(nèi)力和位移二者之間的平衡，防止發(fā)生落梁事故.

5.3 與摩擦滑移隔震支座的對(duì)比

摩擦滑移隔震裝置是橋梁中的常用支座.為對(duì)比其與新型減隔震支座的減震效果，取摩擦滑移裝置的摩擦系數(shù)為0.01.新型支座與摩擦滑移支座的相對(duì)減震率見表5.

表5 新型減隔震支座的相對(duì)減震率 %

由表5可知，采用摩擦滑移隔震支座的各墩底內(nèi)力均小于采用新型減隔震支座，但采用摩擦滑移隔震支座的梁墩相對(duì)位移總體較采用新型支座大30%左右.總體而言，采用這2種支座時(shí)墩底內(nèi)力均較小，而新型支座對(duì)梁墩相對(duì)位移的控制效果更加明顯.

5.4 與鉛芯橡膠隔震支座的對(duì)比

鉛芯橡膠支座也是橋梁常用減隔震支座形式之一.為了對(duì)比其與新型減隔震支座的減震效果，采用鉛芯橡膠墊的力學(xué)參數(shù)與新型減隔震支座中的鉛芯橡膠墊力學(xué)參數(shù)相同，計(jì)算了地震作用下新型支座與鉛芯橡膠支座的相對(duì)減震率，結(jié)果見表6.

表6 新型減隔震支座的相對(duì)減震率 %

由表6可知，在E1和E2地震作用下(除地震波DZB4外)，采用新型減隔震支座后10#和8#橋墩的墩底彎矩和墩頂位移均減小，最大減震率接近50%，而墩底剪力總體上卻有所增加.對(duì)于地震波DZB4，新型支座的減震優(yōu)勢(shì)未得到較好體現(xiàn).采用新型支座時(shí)梁墩相對(duì)位移較大，但在正常使用時(shí)新型支座變形適應(yīng)能力優(yōu)于鉛芯橡膠支座.因此，2種支座的性能各有優(yōu)勢(shì).

5.5 減震結(jié)果分析

連續(xù)梁橋在地震波DZB1和DZB3的作用下，不同支座形式連續(xù)梁橋的最大梁墩縱向相對(duì)位移和10#橋墩墩底部彎矩的對(duì)比結(jié)果見表7.

表7 不同支座形式的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)對(duì)比

由表7可知，對(duì)于梁墩相對(duì)位移，采用摩擦滑移支座時(shí)最大，采用新型減隔震支座次之，但新型減隔震支座可通過調(diào)整上部滑移裝置的滑動(dòng)距離對(duì)其加以控制.采用新型減隔震支座的連續(xù)梁橋的墩底彎矩較傳統(tǒng)非隔震體系小很多，在遭受E2地震作用時(shí)的減震效果更為顯著.新型減隔震支座綜合了摩擦滑移支座與鉛芯橡膠支座的優(yōu)點(diǎn)，保留了鉛芯橡膠支座較好的減震效果，同時(shí)也降低了由摩擦滑移支座引起的較大梁墩相對(duì)位移.總體而言，新型減隔震支座不僅兼顧服役環(huán)境的變形要求，且表現(xiàn)出較好的減隔震性能.

6 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)非隔震橋梁體系相比，新型減隔震支座可使地震能量在各橋墩間更為合理地分配，并利用自身耗能能力大幅度降低橋墩底部的內(nèi)力響應(yīng).但因新型減隔震支座上部滑移裝置的設(shè)置，梁墩縱向相對(duì)位移略有增加.

2)與摩擦滑移隔震措施相比，新型減隔震支座對(duì)連續(xù)梁橋橋墩的地震響應(yīng)控制能力較差，但能更好地控制梁墩相對(duì)位移.

3)新型減隔震支座與鉛芯橡膠支座均具有較好的減震能力，在地震作用下新型減隔震對(duì)梁墩相對(duì)位移的控制能力不如鉛芯橡膠支座，但前者更能適應(yīng)環(huán)境作用下的變形需求，工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行支座選取.

4)新型減隔震支座綜合了鉛芯橡膠支座與摩擦滑移支座的優(yōu)點(diǎn)，在適應(yīng)橋梁服役期間的受力與變形需求方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具備較好的減隔震能力.

5)所提的新型減隔震支座尚處于研發(fā)的初步階段，實(shí)際使用過程中的穩(wěn)定性、抵抗豎向地震動(dòng)的性能等還有待未來進(jìn)一步的驗(yàn)證、研究和探討.

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