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)具有足夠的強度、剛度和延性,以達到抗震設(shè)防目標(biāo)。這種“以強制強”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)梁橋為例,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?？臻g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%),進而計算得出支座的初步設(shè)計參數(shù),隨后進行響應(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)進行建模計算。可以發(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達到理論無窮大時,粘滯阻尼器相當(dāng)于一個嵌固節(jié)點,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,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