大跨連續(xù)梁橋減隔震方案對比分析

董　擎

(蘭州新區(qū)城市發(fā)展投資有限公司, 蘭州　730087)

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大跨連續(xù)梁橋減隔震方案對比分析

董擎

(蘭州新區(qū)城市發(fā)展投資有限公司, 蘭州730087)

摘要：以1座(90+170+90)m城市大跨度連續(xù)梁橋為研究對象,提出并比較分析兩種減隔震設(shè)計方案。采用彈性反應(yīng)譜法及非線性時程反應(yīng)分析方法研究E1及E2地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),針對兩種方案比較摩擦擺支座的力學(xué)參數(shù)取值及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的差異。結(jié)果表明：(1)對于大跨連續(xù)梁橋,由于縱橋向一聯(lián)內(nèi)僅設(shè)置一個制動墩,地震內(nèi)力分布極不均勻；但橫橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較均勻,各墩聯(lián)合共同受力;(2)采用摩擦擺支座, E2作用下各墩墩底截面縱、橫向內(nèi)力減震效果顯著且各墩的內(nèi)力分布趨于均勻,分布更加合理；(3)采用摩擦擺支座, E2作用下減隔震后的墩底內(nèi)力通常小于E1作用下彈性反應(yīng)分析結(jié)果。E1作用下摩擦擺支座是否允許滑動,對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響顯著。在實際設(shè)計中應(yīng)認(rèn)真加以分析對比。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；摩擦擺支座；減隔震方案； 非線性；地震反應(yīng)

連續(xù)梁橋由于具有伸縮縫少、剛度大、行車平穩(wěn)、養(yǎng)護(hù)簡便等優(yōu)點，因此在我國城市大跨橋梁應(yīng)用極為廣泛[1]。但是大跨度連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)較重是抗震的不利體系。目前，在國內(nèi)外的橋梁抗震規(guī)范中，抗震設(shè)計仍是主流[2]。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計允許主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，地震中以結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損傷為代價，通過結(jié)構(gòu)的塑性往復(fù)變形來消耗地震能量[3]。這種設(shè)計方法雖可避免橋梁倒塌，但塑性鉸的永久變形將導(dǎo)致橋墩嚴(yán)重受損，致使震后難以即時修復(fù)，從而失去災(zāi)后亟需的運(yùn)輸功能。

減隔震技術(shù)主要是采用減隔震裝置將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起其破壞的地面運(yùn)動隔離，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全[4]。摩擦擺支座是近年來應(yīng)用較多的減隔震裝置之一。摩擦擺支座通過摩擦耗能的方式將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能，并通過單擺式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了位移的自我恢復(fù)，既提高了震時的隔震性能，又避免了震后調(diào)整工序[5-6]。

摩擦擺支座的力學(xué)參數(shù)取值應(yīng)根據(jù)實際橋梁的特點，具體情況具體分析。其抗震設(shè)計理念不同，導(dǎo)致參數(shù)取值也不同，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)差異較大。以1座(90+170+90) m城市大跨度連續(xù)梁橋為研究對象，提出并比較分析了兩種減隔震設(shè)計方案。采用彈性反應(yīng)譜法及非線性時程反應(yīng)分析方法研究了E1及E2地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，針對兩種方案比較了摩擦擺支座的力學(xué)參數(shù)取值及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的差異，研究結(jié)果可為同類橋梁的抗震設(shè)計提供參考。

1工程概況及減隔震方案

1.1工程概況

某大跨度連續(xù)箱形梁橋，跨徑布置為(90+170+90) m。梁體采用直腹板式單箱單室，懸臂澆筑法施工。箱梁采用變高度、變截面結(jié)構(gòu)。跨中梁高為4.7 m，中支點梁高為10.0 m，梁高按曲線變化。箱梁頂板寬16.0 m，底板寬9.0 m。頂板厚度60 cm，底板厚度35～210 cm，按拋物線變化。腹板厚50～180 cm，按分段折線變化。橋墩采用空心圓端型截面，壁厚為0.75 m。2號墩及3號墩高分別為13.5、17.4 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部箱梁采用C55混凝土，橋面二期恒載為70 kN/m。橋墩及樁基礎(chǔ)均采用C35混凝土。橋梁立面布置見圖1。該橋抗震設(shè)防烈度為8度，場地特征周期為0.4 s，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)計分組為第三組。設(shè)計地震下峰值加速度為0.22g，支座采用球型摩擦擺支座，支座布置見圖2。

圖1　立面布置(單位：m)

圖2　摩擦擺支座布置

1.2減隔震方案

橋梁減隔震設(shè)計的基本原理是延長結(jié)構(gòu)的周期，同時提供一定的附加阻尼機(jī)制。通過延長周期可以避開地震能量集中的頻率范圍，通過增加阻尼，可以消耗地震能量，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的[7]。但是在盡量減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的同時，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的正常使用功能不受影響。在可變荷載如風(fēng)荷載、流水壓力以及汽車制動力等作用下，結(jié)構(gòu)可以保證正常運(yùn)營[8]。

位于高烈度地震區(qū)的城市大跨橋梁，承受水平方向的作用有如下2個特征：(1)由于大跨城市橋梁作為生命線工程的重要性，E1地震作用下結(jié)構(gòu)的地震調(diào)整系數(shù)Ci取值較高，結(jié)構(gòu)受到的地震作用也較大；(2)制動力一般遠(yuǎn)小于E1作用下橋跨結(jié)構(gòu)的水平地震力。

根據(jù)城市大跨連續(xù)梁橋的受力特點，從摩擦擺支座的工作狀態(tài)、分析方法及重點驗算內(nèi)容3個角度提出2種減隔震方案，見表1。

表1　減隔震方案比較

2E1地震作用下線彈性反應(yīng)譜分析

2.1有限元模型

采用MIDAS軟件建立全橋空間有限元模型，主梁、橋墩及承臺采用空間梁單元模擬，橋面二期恒載采用質(zhì)量單元模擬。樁-土相互作用采用空間6彈簧模擬，彈簧剛度取值采用“m”法計算，地基系數(shù)的比例系數(shù)取20 000 kPa/m2。動力特性分析時，支座采用主從自由度模擬，制動墩約束縱橋向、橫橋向及豎向3個平動自由度及繞縱橋向的轉(zhuǎn)動自由度， 活動墩約束橫橋向及豎向2個平動自由度及繞縱橋向的轉(zhuǎn)動自由度。采用子空間迭代法，得到該橋的橫、縱向一階周期分別為1.03 s與1.41 s。

2.2反應(yīng)譜函數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的規(guī)定，本橋的抗震設(shè)防類別為乙類。E1地震作用下，橋梁的地震重要性系數(shù)C1=0.61，設(shè)計基本地震動加速度峰值A(chǔ)=0.216g。根據(jù)地震安評報告，E1地震作用下，地震影響系數(shù)曲線表達(dá)式為

式中，α(T)為地震影響系數(shù)；αmax為α(T)的最大值，即地震影響系數(shù)最大值；Tg為場地特征周期，取0.4 s；γ為衰減系數(shù)，取0.9；βmax為動力系數(shù)最大值。

2.3反應(yīng)譜分析結(jié)果

圖3　墩底截面內(nèi)力

本橋為直線橋，只考慮水平向地震作用，分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用。E1地震作用反應(yīng)譜分析得到各墩墩底截面的內(nèi)力，見圖3。從圖中可以看出：(1)由于縱橋向僅設(shè)置一個制動墩，在地震作用下導(dǎo)致3號墩受到的內(nèi)力遠(yuǎn)高于其他墩，地震內(nèi)力分布極不均勻；(2)橫橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較均勻，各墩聯(lián)合共同受力。

3E2地震作用下非線彈性時程反應(yīng)分析

3.1摩擦擺支座力學(xué)模型

摩擦擺支座的滯回曲線見圖4[10]。

圖4　摩擦擺支座的滯回曲線

摩擦擺支座的切向力為

(1)

支座屈服后剛度為

(2)

隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為

(3)

式中，W為支座恒載反力；R為球面曲線半徑；μ為滑動面摩擦系數(shù)；T為隔震后周期；D為支座最大水平位移。

從式(3)可知，T僅與滑動面的曲率半徑R有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)自重?zé)o關(guān)。通過調(diào)整R，改變隔震結(jié)構(gòu)的自振周期，從而達(dá)到減隔震效果。

3.2E2地震作用地震波

E2地震作用下，只考慮水平向地震作用，分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用。根據(jù)本橋的橋址處場地地震安評報告，50 年超越概率為2%的3條地震波，峰值加速度PGA=0.41g。其中1條典型的加速度時程曲線見圖5。

圖5　加速度時程曲線

結(jié)構(gòu)的阻尼采用Rayleigh阻尼矩陣，采用結(jié)構(gòu)前兩階頻率計算對應(yīng)的α，β值。應(yīng)用Newmark-β法逐步積分求解，分析時間步長為0.01 s，分析時間總長為20 s。摩擦擺支座采用MIDAS軟件中的滯后系統(tǒng)連接單元模擬。

3.3摩擦擺支座力學(xué)參數(shù)取值

(1)曲率半徑R

(2)摩擦系數(shù)μ

為了盡量減小橋跨結(jié)構(gòu)的慣性力傳遞給下部結(jié)構(gòu)，摩擦擺支座的摩擦系數(shù)不宜取值過大，因此取摩擦系數(shù)μ=0.03。支座的主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2　摩擦擺支座主要參數(shù)

3.4非線性時程反應(yīng)分析結(jié)果

將3條E2安評地震波分別沿橋梁縱、橫向輸入，并取3條波中地震反應(yīng)的最大值用于設(shè)計驗算。E1、E2作用下彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果與E2作用下非線性分析結(jié)果(墩底內(nèi)力)示于圖6、圖7。其中在第1條地震波激勵下，3號墩頂摩擦擺支座的滯回曲線見圖8。從圖中可知：(1)采用摩擦擺支座，E2作用下各墩墩底截面縱、橫向內(nèi)力減震效果顯著；(2) 采用摩擦擺支座，地震波縱向作用下，各墩的內(nèi)力分布趨于均勻，分布更加合理；(3)E2作用下非線性時程反應(yīng)分析的各墩內(nèi)力小于E1作用下彈性反應(yīng)譜的分析結(jié)果；(4)支座最大位移為19.5 cm。

圖6　各墩墩底縱向彎矩分布

圖7　各墩墩底橫向彎矩分布

圖8　支座縱向滯回曲線

4兩種減隔震方案比較

(1)正常使用階段驗算

方案A：由于E1地震作用下摩擦擺不滑動，支座的水平承載力應(yīng)大于E1地震作用下支座的水平地震力。制動墩的最大靜摩擦力為3 060 kN，支座的水平地震力為12 340 kN，故應(yīng)增設(shè)剪力鍵協(xié)同受力。

方案B：允許E1地震作用下摩擦擺滑動，支座的水平承載力應(yīng)大于制動力。制動墩的最大靜摩擦力為3 060 kN，本橋制動力為979 kN，比值為3.1倍，可滿足正常使用要求。

(2)橋墩強(qiáng)度驗算

方案A：制動墩控制設(shè)計。制動墩墩底截面配筋率大于1.8%，可滿足E1下的強(qiáng)度要求。

方案B：各墩受力較為均勻。墩底截面配筋率大于1.1%可滿足E1下的強(qiáng)度要求。

5結(jié)論

(1)對于大跨連續(xù)梁橋，由于縱橋向一聯(lián)內(nèi)僅設(shè)置1個制動墩，地震內(nèi)力分布極不均勻；橫橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較均勻，各墩聯(lián)合共同受力。

(2)采用摩擦擺支座，E2作用下各墩墩底截面縱、橫向內(nèi)力減震效果顯著且各墩的內(nèi)力分布趨于均勻，分布更加合理。

(3)采用摩擦擺支座，E2作用下減隔震后的墩底內(nèi)力通常小于E1作用下彈性反應(yīng)分析結(jié)果。E1作用下是否允許摩擦擺滑動，對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響顯著。在實際設(shè)計中，應(yīng)認(rèn)真加以分析對比。

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Comparative Analysis of Isolation Schemes for Long-span Continuous Girder BridgeDong Qing

(Lanzhou Area Urban Development Investment Co., Ltd., lanzhou 730087, China)

Abstract：Taking a long-span urban continuous girder bridge with spans of (90+170+90) m as the research objective, this paper proposes two isolation schemes for comparison and analysis. Structural seismic response under earthquake action of E1 and E2 is studied with elastic response spectrum method and nonlinear time history response analysis method. The differences in structural seismic response and in the selection of mechanical parameters for the friction pendulum bearing (FPB) related to the two schemes are compared. The results show that: (1)because only one braking pier is set up at one continuous unit in the longitudinal direction for the long-span continuous girder bridge, the structural internal force distribution is extremely uneven in the longitudinal direction, but the structural internal force distribution is comparatively more uniform in transverse direction, and each individual pier shares the stress; (2)FPB has obvious damping effect on the internal forces of the bridge substructure both in longitudinal and transverse directions and internal force distribution for individual pier tends to be more even and reasonable. (3)the internal force at pier bottom obtained by use of FPB under E2 is usually less than that obtained from seismic elastic response under E1. Whether FPB is allowed to slide or not under E1 will have a significant effect on structural seismic response, which needs to be carefully analyzed and compared in the design.

Key words：Continuous girder bridge; FPB; Isolation schemes; Nonlinear; Seismic response

中圖分類號：U441+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.016

文章編號：1004-2954(2015)02-0065-04

作者簡介：董擎(1968—)，男，高級工程師。

收稿日期：2014-11-05； 修回日期：2014-11-14