鐵路高墩橋梁基底搖擺隔震設計方法

鐵路高墩橋梁基底搖擺隔震設計方法

隨著中國鐵路事業(yè)向西部地區(qū)的發(fā)展，受地形限制，高架道路的建設受到限制，需要在高烈度地震區(qū)域建設大量的鐵路高架橋。受高階振型影響,強震作用下高墩可能會形成兩個以上塑性鉸,且其位置具有分散與不確定性。目前延性抗震設計主要適用于潛在塑性鉸位置明確的橋梁。高墩延性設計十分困難,且按多個塑性鉸設計墩柱延性抗震性能未必可靠。為提高鐵路高墩橋梁抗震性能,減、隔震技術就成為高墩橋梁的必要抗震措施。橋梁常用減、隔震設計方法有墩頂支座與基底減、隔震設計兩種。國內在中、低墩橋梁減、隔震技術方面研究較多,但有關高墩橋梁減、隔震研究較少,鐵路高墩橋梁則更少。而關于高墩基底隔震目前國內鮮見報導。因此國內鐵路高墩橋梁也僅有曲江大橋嘗試性地使用雙曲面減、隔震支座進行隔震。國際方面,新西蘭于1981建成的SouthRangitikei鐵路高架橋是利用基底搖擺隔震技術進行橫橋向減、隔震的高墩橋梁。隨著抗震技術不斷進步、對抗震性能要求不斷提高,確保震后橋梁結構完整性已是世界潮流所趨,因此避免橋梁結構在地震中損傷的基底隔震技術已成為研究熱點。鑒于我國鐵路高墩橋梁在墩頂支座減、隔震方面研究不足、基底搖擺隔震技術方面缺乏研究及鐵路高墩橋梁抗震設計存在問題至今仍未得到較好解決。本文結合西南某新建鐵路高墩橋梁,探討鐵路高墩橋梁基底搖擺隔震與墩頂支座減震設計方案減、隔震效果。1基底轉動提離隔震設計思路擴大基礎作為一種常見基礎形式,被廣泛用于基底土質較好的橋梁結構中,其抗震性能主要要求為地震作用與自重荷載共同作用下確保墩底抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定,特別是抗傾覆穩(wěn)定。既有研究結果表明,擴大基礎提離能減小墩底地震彎矩,有一定減震作用。震后調查也發(fā)現(xiàn),由于地震中抗傾覆穩(wěn)定能力不足的擴大基礎失穩(wěn)提離有明顯減震效果,使大量擴大基礎上的橋梁避免損傷。文獻表明,高墩提離主要表現(xiàn)為轉動提離(搖擺),隔震效果良好。本文提出利用高墩基底轉動提離進行隔震的高墩橋梁抗震設計思想,即通過改進當前高墩樁基礎設計,使高墩與基礎分離。橋墩與樁基分離設計基于以下原則:正常行車、風荷載及多遇地震條件下,橋墩與基礎分離面無相對位移,橋墩不發(fā)生提離轉動;但在設計或罕遇地震條件下,橋墩相對于基礎將發(fā)生轉動提離。通過提離消耗地震輸入能量,達到在地震中既能保護橋墩又能保護基礎的抗震目標。高墩基底轉動提離隔震裝置見圖1。橋墩在正常使用及多遇地震條件下抗傾覆穩(wěn)定性可按巖石地基上擴大基礎設計。基底轉動提離隔震設計高墩有以下優(yōu)點:(1)基底提離轉動隔震橋梁在震后橋墩與基礎基本無損傷,完整性較好,且可通過墩身自重及上部恒載重力平衡地震力,進行自復位;(2)基底提離隔震對常規(guī)高墩設計改動較小,容易實現(xiàn),且不會由于抗震設計增加過多投資;(3)能夠通過設置防傾覆鋼鉸線或鋼筋限制墩頂位移,還可防止提離產(chǎn)生較大轉角,致使橋墩傾覆;(4)高墩基底隔震對順、橫橋向均適用。2彈性特性分析基底隔震橋墩力學模型為:墩底有1個轉動彈簧及墩頂有集中質量的懸臂梁結構,見圖2。轉動彈簧模擬橋墩與基礎之間轉動提離。橋墩相鄰橋跨上部質量等效為墩頂集中質量。對變截面橋墩取單元中點處剛度作為整個單元剛度,單元質量堆積在相應節(jié)點上。高墩發(fā)生提離轉動后,墩身彈性變形與轉動剛體位移相比很小。若忽略墩身彈性變形,地震中高墩反應與剛體地震反應相同,分為黏著階段與提離轉動階段。提離轉動后墩底彎矩不再增加,因此基礎轉動隔震高墩橋梁系統(tǒng)實際表現(xiàn)為非線性彈性特性,計算中采用轉動彈簧的非線性特性,見圖3。彎矩-轉角滯回曲線中提離彎矩My與極限轉角θu可結合圖4,按下式估算。My=F?H=(N+G)?B2(1)θu=B2H(2)Μy=F?Η=(Ν+G)?B2(1)θu=B2Η(2)式中:N為墩頂支反力;G為墩身自重;B為與墩身相同計算方向擴大基礎寬度。3支護結構參數(shù)設計墩頂減震設計方案采用鉛芯橡膠支座裝置,計算時簡化為雙線性,其荷載-變形關系見圖5。鉛芯橡膠支座主要參數(shù)為:初始剛度Ku、屈服后剛度Kd和屈服力Fy。鉛芯橫截面積和有效變形高度是影響支座初始剛度的主要因素。橡膠層厚度及面積是影響屈服后剛度主要因素。屈服力由制動力大小決定。確定鉛芯橡膠支座設計參數(shù)步驟:(1)為滿足正常使用要求,支座參數(shù)應由實際支座構造尺寸計算得到;(2)確定正常使用時鉛芯橡膠支座所承受最大豎向力和水平力;由豎向力確定鉛芯橡膠支座有效受壓面積;由水平力確定鉛芯橡膠支座鉛芯面積和直徑;(3)綜合考慮支座空間要求、支座直徑及正常使用時伸縮量確定鉛芯橡膠支座高度;(4)根據(jù)確定的鉛芯橡膠支座構造尺寸計算支座初始剛度、屈服后剛度、屈服力。4結構體系及設計某單線鐵路特大橋,位于直線上,旅客列車設計行車速度140km/h。上部結構采用32m簡支箱形梁等跨布置,下部結構為圓端形空心高墩、樁基礎,立面布置見圖6。選取其中15#橋墩及18#橋墩為基底轉動隔震與墩頂減震設計方案研究對象,隔震前18#順橋向第1周期為0.95s。為考察減、隔震效果離散性,選擇El-centro波、Taft波與Northridge波等3條強震記錄作為輸入地震動,并將其幅值統(tǒng)一調整為0.57gn。4.1地震波頻率特性影響基底轉動隔震設計方案的高墩地震反應分析結果見表1～表2及圖7～圖10。由表1～表2及圖7～圖8可以看出:高墩發(fā)生基底提離轉動后,墩頂位移變化規(guī)律比較復雜。3條強震記錄墩頂最大位移差異較大,在El-centro波下墩頂最大位移略有減小,Northridge波下墩頂最大位移增大了1倍多。這說明墩頂位移隔震效果受地震波頻譜特性影響較大。從表1～表2可以看出,3條強震記錄下墩底與承臺底最大彎矩的隔震效果顯著,El-centro波隔震率最大,Taft波與Northridge波隔震率接近,且橋墩越高墩底彎矩隔震效果越好。由圖9可以看出,高墩基底轉動提離隔震是間歇而非連續(xù)的,基底地震彎矩大于由重力提供的穩(wěn)定彎矩時橋墩發(fā)生轉動提離,提離后基底彎矩不再增大,當較大地震脈沖過后,靠上部所受豎向荷載及橋墩自重平衡地震作用自行復位。4.2el-centro地震動墩頂鉛芯橡膠支座減震設計方案高墩地震反應分析結果見表3～表4,圖11～圖13。由表3～表4及圖11～圖12可以看出:鉛芯橡膠支座對墩頂位移有一定減震效果,3條強震記錄下最大位移減震效果差異較大。在El-centro地震動下效果最好,Northridge地震動下效果最差,且其減震效果受地震波頻譜特性影響較大。由圖13還可以看出鉛芯橡膠支座在地震中產(chǎn)生約10cm剪切位移(與減震后墩頂位移相當),這是由于鉛芯橡膠支座初始剛度、屈服力雖已滿足正常使用要求,但仍相對較小。從表3～表4可以看出,3條強震記錄下墩底與承臺底彎矩也有一定減震效果,3條地震動下的減震效果離散性較大,且有橋墩越高離散性越大的趨勢。3條地震波下墩底與承臺底彎矩的減震率變化同墩頂位移的減震率變化一致。4.3基底隔震技術基底搖擺隔震方案與墩頂減震方案的墩頂位移及墩底彎矩時程曲線示于圖14、圖15。由圖14、圖15及表1～表4可以看出:基底隔震方案中墩頂位移明顯大于墩頂減震的墩頂位移,這是由于鉛芯橡膠支座的阻尼耗能減小了墩頂位移。由圖15可知:墩頂減震方案與基底隔震方案中墩底彎矩時程曲線有很大差異。這是由于墩頂減震與基底隔震機理有所不同,前者是靠支座滑動與支座阻尼來吸收及消耗地震能量進行減震;而后者通過基底搖擺過濾較大的地震脈沖作用,進行隔震。由表1～表4及圖7～圖15可以看出,基底隔震方案與墩頂減震方案相比,地震中盡管前者墩頂位移大于后者,但前者墩頂位移主要是基底轉動提離所致,可通過圖1所示位移限位裝置進行限制,不會影響減震效果。而后者尚有一定支座非彈性變形引起的墩梁相對位移,無法限制。對于墩底內力而言,基底轉動提離隔震效果明顯高于墩頂減震,且在地震動下離散性比墩頂減震小。此外,由于基底隔震設計方案中墩與基礎在強震下分離,從橋墩傳遞到基礎(承臺底)地震作用也明顯減小,故其既可保護橋墩,又可保護基礎,這方面墩頂減震設計方案無法與之相比。除此之外,基底隔震技術對于高墩順、橫橋向均適用。綜上所述,本文提出的基底隔震技術,使基礎在強震下與橋墩分離,可從根本上減小地震動對高墩橋梁結構輸入能量,隔震效果顯著;能保證隔震后墩底最大地震彎矩與輸入地震動無關,既可保護橋墩與又可保護基礎;并適用于順、橫橋向。5高墩基底轉動隔震的優(yōu)點通過對鐵路高墩橋梁基底轉動隔震及墩頂支座減震對比研究,得到以下結論:(1)基底轉動隔震及墩頂支座減震對減小墩底彎矩均有一定效果,基底轉動隔震效果