高烈度區(qū)三跨連續(xù)梁橋減震分析

高烈度區(qū)三跨連續(xù)梁橋減震分析

阻尼消能減緩技術(shù)近年來，國內(nèi)外多次高地震摧毀了城市生命線項(xiàng)目橋梁，嚴(yán)重受損。例如,1995年的日本阪神地震,地震動卓越周期約在0.3~2s之間,覆蓋了多數(shù)中小跨度連續(xù)梁橋的自振周期,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,并嚴(yán)重影響到災(zāi)區(qū)的抗震救災(zāi)和恢復(fù)重建。因此,對橋梁尤其是高烈度區(qū)的橋梁,采取合理、有效的減震措施以確保其抗震安全性,具有十分重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。目前,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法都是使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性,以達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。這種“以強(qiáng)制強(qiáng)”的設(shè)計方法,并不能有效地降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),而且還將付出沉重的經(jīng)濟(jì)代價。在過去三十多年里,橋梁隔震技術(shù)正逐漸成為一種改善橋梁抗震性能的有效途徑。自從美國SierraPoint高架橋使用鉛芯橡膠支座進(jìn)行抗震加固后,世界上先后有200多座橋梁使用隔震技術(shù)進(jìn)行舊橋加固或新建橋梁的抗震設(shè)計。我國則從1965年就開始研究橋梁橡膠支座,目前在地震高烈度區(qū)也建成了多座隔震橋梁。近年來,阻尼消能減震技術(shù)作為一項(xiàng)積極、有效的結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù),在國際上日益受到重視。它通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置,依靠阻尼消耗風(fēng)或地震作用輸入結(jié)構(gòu)的大部分振動能量,從而降低結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。目前已在20多個國家的建筑、橋梁結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)設(shè)計和抗震加固中獲得成功應(yīng)用,并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。我國重慶鵝公巖大橋采用粘滯阻尼器減少鋼梁在地震、車輛和風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的縱向位移,正在建設(shè)中的杭州灣大橋和蘇通大橋也將采用消能減震技術(shù)。但對于地震高烈度區(qū)的連續(xù)梁橋來說,若僅采用鉛芯橡膠支座,則主梁縱向位移過大,勢必增大伸縮縫規(guī)模。若僅采用阻尼消能減震,則并不能大幅度地減小墩柱的內(nèi)力。因此,本文提出在采用鉛芯橡膠支座的同時設(shè)置粘滯阻尼器的減震設(shè)計方法,并以高烈度區(qū)的某三跨連續(xù)梁橋?yàn)槔?比較上述三種減震設(shè)計方案的減震效果。1計算的基本條件1.1雙柱式橋墩c30高烈度區(qū)某三跨連續(xù)梁橋跨徑為30m+30m+30m。主梁采用單箱三室截面,C40混凝土,各橋墩高度相同,均為7.5m;雙柱式橋墩,C30混凝土,為重要性橋梁。對于橋墩、橋臺和主梁的連接方式,本文將針對以下四種設(shè)計方案進(jìn)行分析、比較。(1)一般設(shè)計計劃橋墩支座處均為鉸接,橋臺處縱向自由滑動。(2)隔震設(shè)計方案在每個橋臺、橋墩處各設(shè)四只鉛芯橡膠支座。(3)消能衰減設(shè)計方案在常規(guī)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,于兩橋臺處縱向各設(shè)置兩只阻尼器。(4)緩解安裝計劃在隔震方案的基礎(chǔ)上,同時于兩橋臺處縱向各設(shè)置兩只阻尼器。隔震支座和阻尼器布置參見圖1。1.2震作用及加速度假設(shè)該連續(xù)梁橋橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,建筑場地土為II類,該地區(qū)設(shè)計地震作用,采用地面加速度峰值為0.2g(以下稱為P1概率);罕遇地震作用,采用地面加速度峰值為0.4g(以下稱為P2概率)。時程分析選取II類場地常用的三條波:ElCentro180,Taft,Northridge。1.3有限元模型的建立本文采用SAP2000N非線性有限元軟件的空間桿系模型對該橋進(jìn)行動力特性及非線性時程分析,力求使所建立的計算模型能如實(shí)地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、材料特性以及各構(gòu)件的邊界連接條件。空間桿系模型采用脊梁模擬,主梁、橋墩、橋臺均用梁單元模擬,將橋面系的豎向、橫向撓曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和平動質(zhì)量、轉(zhuǎn)動質(zhì)量都集中在中間節(jié)點(diǎn)上。減震前橋墩、橋臺處的支座采用主從關(guān)系模擬。2橋臺、橋墩作用分擔(dān)率的計算在每個橋臺、橋墩處各設(shè)4只鉛芯橡膠支座,共16只,參見圖2。鉛芯橡膠支座是在普通板式橡膠支座中設(shè)置圓柱型鉛芯,通過調(diào)整鉛芯尺寸的大小,可以得到預(yù)期的阻尼比和水平剛度。在正常使用情況下,鉛芯橡膠支座同普通支座一樣,承受豎向荷載和由于混凝土收縮徐變及溫度變化引起的次應(yīng)力。當(dāng)受到地震作用時,鉛芯橡膠支座將延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期、增大阻尼,減小輸入到結(jié)構(gòu)的地震能量,從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),達(dá)到預(yù)期防震要求。鉛芯橡膠支座可以結(jié)合所確定的支座類型,初步設(shè)定一個比較合理的隔震周期和對應(yīng)的等效阻尼比(如鉛芯橡膠支座等效阻尼比可選10%~20%),進(jìn)而計算得出支座的初步設(shè)計參數(shù),隨后進(jìn)行響應(yīng)的校核,判別是否滿足設(shè)計要求,如不滿足,則對其中一些參數(shù)作適當(dāng)調(diào)整。采用常規(guī)設(shè)計方案計算得出橋梁的基本周期T=0.68s,結(jié)構(gòu)總等效阻尼比初定為βeff=0.20,并假定單個橋臺、橋墩地震作用分擔(dān)率分別為:30%、20%。首先將結(jié)構(gòu)簡化為單自由度模型并初步確定結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng):F=CiCzKhβW=CW(1)F=CiCzΚhβW=CW(1)式中,Ci為重要性修正系數(shù);Cz為綜合影響系數(shù);Kh為水平地震系數(shù);β為動力放大系數(shù);W為梁橋上部結(jié)構(gòu)重力。隔震支座位移近似為:d=9.81T2C4π2(2)d=9.81Τ2C4π2(2)對于隔震周期,使T在0.8~3s范圍內(nèi)變動并進(jìn)行試算,可以發(fā)現(xiàn)隨隔震周期的增長,結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震作用在減小,但支座位移在增加。初步設(shè)定隔震橋梁的隔震周期Teff為1.5s。此時暫不考慮橋墩等剛度的影響,認(rèn)為結(jié)構(gòu)的剛度僅由隔震支座提供,因而隔震支座總的等效剛度為:∑Keff=4π2WT2effg(3)∑Κeff=4π2WΤeff2g(3)根據(jù)前面假定的橋臺、橋墩地震作用分配關(guān)系,得橋臺、橋墩單個支座等效剛度分別為:keff(橋臺)=3.338×106N/m;keff(橋墩)=2.225×106N/m根據(jù)雙線型滯回模型參數(shù)可知:keff=k2+Qd(4)βeff支座=4Q(d?dy)2πkeffd2(5)keff=k2+Qd(4)βeff支座=4Q(d-dy)2πkeffd2(5)不考慮橋墩等的剛度的影響,橋墩處支座的位移是d=42.7mm,首先假定dy=0,可得橋墩處單個支座的特征強(qiáng)度Q和屈服后剛度k2;對于鉛芯橡膠支座,取初始彈性剛度k1=6.5k2,可由下列公式計算dy:dy=Q+k2dyk1=Qk1?k2(6)dy=Q+k2dyk1=Qk1-k2(6)再將求得的dy值代入式(5)重新計算,進(jìn)而得到橋墩處鉛芯橡膠支座的三個設(shè)計參數(shù)分別為:Q=21131N,k2=1.7302×106N/m,k1=1.125×107N/m。根據(jù)上述步驟,同理可得橋臺處鉛芯橡膠支座的三個設(shè)計參數(shù)分別為:Q=31697N,k2=2.5953×106N/m,k1=1.6875×107N/m。由計算知橋臺、橋墩的豎向支座反力為841198N、2625205N,參考上面得到的鉛芯橡膠支座的參數(shù),可以確定隔震支座的規(guī)格和尺寸,并進(jìn)行校核。本例直接選取所求得的隔震支座剛度等數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計算?？梢园l(fā)現(xiàn):采用隔震技術(shù)后,結(jié)構(gòu)自振周期明顯延長,接近預(yù)期目標(biāo),為1.52s;P1、P2概率作用下,隔震前后的墩底內(nèi)力及主梁位移見表1、表3?？梢姼粽鸷蠖盏變?nèi)力均小于隔震前內(nèi)力的20%,但主梁位移增大;采用鉛芯橡膠支座可明顯降低地震作用所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,但不能減小縱向位移,即不能減小伸縮縫規(guī)模,甚至還放大。3不同阻尼系數(shù)對結(jié)構(gòu)的耦合控制在常規(guī)設(shè)計橋梁的兩橋臺處縱向各設(shè)置兩只粘滯阻尼器,粘滯阻尼器提供的阻尼力可用下式表示:F=Cvα(7)F=Cvα(7)式中,F為提供的阻尼力;C為阻尼系數(shù);v為速度;α為速度指數(shù)。在消能減震設(shè)計中,通過調(diào)整粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α,可使結(jié)構(gòu)達(dá)到較滿意的減震效果。工程中,速度指數(shù)一般取α=0.2~0.5。當(dāng)減震目標(biāo)是為了確保減震效果時,可選用較大的阻尼指數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的振動速度較大時,宜選用較小的速度指數(shù),以控制一定的阻尼力,簡化連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。本文以控制主梁的縱向位移為主要目標(biāo),取速度指數(shù)為0.4。在橋臺處縱向設(shè)置粘滯阻尼器可以降低縱向地震作用下橋墩的內(nèi)力和主梁的位移,對伸縮縫規(guī)模由抗震設(shè)防控制的高烈度區(qū)橋梁,亦可較大幅度地減小伸縮縫規(guī)模。若結(jié)構(gòu)的減震體系合理,隨著阻尼系數(shù)C從無到有地增大,結(jié)構(gòu)的減震效果會越來越明顯。但當(dāng)阻尼系數(shù)C達(dá)到一定數(shù)值后,其變化對減震效果的影響則變得不再明顯。當(dāng)阻尼系數(shù)C達(dá)到理論無窮大時,粘滯阻尼器相當(dāng)于一個嵌固節(jié)點(diǎn),失去減震作用。阻尼系數(shù)C的確定應(yīng)綜合考慮減震效果、阻尼器與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接以及構(gòu)件內(nèi)力等。當(dāng)C在0~3000(kN/(m/s)0.4)范圍內(nèi)變動時,墩底內(nèi)力隨阻尼系數(shù)C增大而減小;但當(dāng)C>1000(kN/(m/s)0.4)后這種變化趨勢緩和,而粘滯阻尼器的阻尼力則隨阻尼系數(shù)C的增加近似呈線性關(guān)系增大。本文經(jīng)優(yōu)化分析,粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)C取為1000(kN/(m/s)0.4),α=0.4,F=815kN,d=±0.0752m。這里必須注意,為保證橋梁的正常使用,粘滯阻尼器的實(shí)際行程還應(yīng)計入其它影響(如車輛荷載、溫度等)。分析結(jié)果表明,采用消能減震方案,對應(yīng)的內(nèi)力和位移為減震前的橋梁內(nèi)力及位移的50%左右。P1、P2概率作用下,墩底的內(nèi)力及主梁的位移見表2和表4。從中可以看出:主梁的位移得到了很好的控制,但墩底內(nèi)力的降低幅度明顯不如隔震方案。4式波地震響應(yīng)分析綜合隔震與消能減震設(shè)計方案的特點(diǎn),本文提出在隔震橋梁的兩橋臺處沿縱向各布置2只粘滯阻尼器,以減小主梁的縱向位移。隔震支座、粘滯阻尼器的設(shè)計參數(shù)均采用前述隔震、消能減震設(shè)計方案中的參數(shù)。表1~4為P1和P2概率地震作用下常規(guī)設(shè)計、隔震、消能減震和減震四種設(shè)計方案的墩底內(nèi)力及主梁位移。圖3為P1及P2概率地震作用下,常規(guī)設(shè)計、隔震、消能減震和減震設(shè)計四種方案的墩底內(nèi)力和主梁位移比較圖,從中可以看出采用減震設(shè)計方案的明顯優(yōu)勢。在墩底剪力和彎矩得到很好控制的同時,主梁位移也顯著降低。5主梁縱向位移控制通過上述分析,可以得出以下主要結(jié)論:(1)連續(xù)梁橋在橋墩和橋臺處設(shè)置鉛芯橡膠支座,即采取隔震設(shè)計方案后,結(jié)構(gòu)的自振周期可遠(yuǎn)離反應(yīng)譜的特征周期。與常規(guī)抗震設(shè)計方案相比,墩底內(nèi)力的減震效果可達(dá)到80%,但主梁的位移會增大,從而增大伸縮縫的規(guī)模。(2)連續(xù)梁橋在橋臺