連續(xù)梁橋抗震問題的探討

連續(xù)梁橋抗震問題的探討

1設(shè)計原則及原則不同中國位于太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個經(jīng)常發(fā)生地震的國家。橋梁作為生命線工程,在抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建中肩負(fù)著舉足輕重的作用。因此,抗震設(shè)計成為橋梁設(shè)計的重要環(huán)節(jié),應(yīng)仔細(xì)研究、精心設(shè)計。連續(xù)梁橋以其合理的受力性能和良好的行車舒適性等優(yōu)點,在公路橋梁建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著《公路橋梁抗震細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》)的頒布,在地震烈度等于或大于7度的地區(qū)修建連續(xù)梁橋,抗震問題尤為突出。對于連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計,《細(xì)則》指出了兩種方法:延性設(shè)計和減隔震設(shè)計。采用延性設(shè)計,通常會不可避免地造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷;而采用減隔震設(shè)計,在有效減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的同時,可避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。由于減隔震裝置的多樣性以及減隔震設(shè)計的復(fù)雜性,《細(xì)則》僅給出了設(shè)計原則。作為對《細(xì)則》中減隔震設(shè)計一章的補充,本文研究了彈塑性阻尼器在連續(xù)梁橋抗震設(shè)計中的應(yīng)用。2減隔震裝置的基本功能減隔震的本質(zhì)和目的就是將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地面運動盡可能分離開來。要達(dá)到這個目的,可通過延長結(jié)構(gòu)的基本周期,避開地震能量集中的范圍,從而降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。但通過延長結(jié)構(gòu)周期以降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),必然伴隨著結(jié)構(gòu)位移的增大,從而可能造成設(shè)計上的困難。此外,由于結(jié)構(gòu)較柔,在正常使用荷載作用下結(jié)構(gòu)可能發(fā)生有害振動。為了控制過大變形,可通過在結(jié)構(gòu)中引入阻尼裝置,從而降低結(jié)構(gòu)的位移。此外,增加結(jié)構(gòu)的阻尼還可以同時降低結(jié)構(gòu)的動力加速度,從而進一步降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。綜上所述,橋梁的減隔震裝置應(yīng)滿足三個基本功能:①一定的柔度(柔性支承),用來延長結(jié)構(gòu)周期,降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng);②耗能能力(阻尼、耗能裝置),用來降低支承面處的相對變形,以便使位移在設(shè)計允許的范圍內(nèi);③一定的剛度、屈服力,保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下(如風(fēng)、制動力等)不發(fā)生屈服和有害振動。目前應(yīng)用于橋梁抗震設(shè)計的減隔震裝置主要有阻尼器和減隔震支座等,本文研究了彈塑性阻尼器在連續(xù)梁橋抗震設(shè)計中的應(yīng)用。3主梁結(jié)構(gòu)的三維有限元模型以某跨徑組合為55+90+55=200m的連續(xù)梁橋為例,進行抗震分析。采用SAP2000有限元計算分析程序,根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置,建立結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)分析的三維有限元模型(見圖1)。在模型中,主梁、橋墩和樁基均離散為空間梁單元;承臺模擬為質(zhì)點,與墩底節(jié)點和樁頂節(jié)點均采用主從約束;考慮土體(包括巖石)對樁基的作用:土體用彈簧模擬,忽略阻尼和剛度特性的影響,其中彈簧剛度依據(jù)“m法”取值。4改連續(xù)梁橋動力特性分析橋梁動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎(chǔ),為了計算地震作用下的結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),必須首先計算橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。根據(jù)建立的動力分析模型,對改連續(xù)梁橋進行了動力特性分析。表1列出了結(jié)構(gòu)的前10階頻率和周期。其中第2階振型為主梁縱飄,對固定墩墩底內(nèi)力貢獻(xiàn)最大;第3階、第4階振型為主梁橫向振動橋墩橫彎,對各墩墩底內(nèi)力貢獻(xiàn)最大。5地表加速度時程本橋采用兩水平設(shè)防、兩階段設(shè)計的理念,圖給出了50年超越概率2%地震烈度下的三條地表加速度時程曲線。分析時,僅以縱向+豎向輸入時、50年超越概率2%為例研究彈塑性阻尼器的抗震性能。6地震響應(yīng)分析根據(jù)計算模型及地震動輸入,應(yīng)用非線性動力時程方法進行地震響應(yīng)分析,研究該連續(xù)梁橋的抗震性能。6.1截面屈服彎矩表2為未設(shè)置彈塑性阻尼器時,各控制截面的地震內(nèi)力計算與屈服彎矩驗算結(jié)果。其中,截面屈服彎矩采用有限元方法求得(見圖4)?？梢钥闯?未設(shè)置彈塑性阻尼器時,固定墩底的地震彎矩大于截面的屈服彎矩,不滿足規(guī)范要求,因此必須采取相應(yīng)措施以減小地震內(nèi)力。6.2設(shè)置彈塑性阻尼器本文擬在連續(xù)梁橋兩端設(shè)置彈塑性阻尼器,彈塑性阻尼器的荷載—位移本構(gòu)關(guān)系為:F={kχ?χ≤χsFs+αk(χ?χs)?χ＞χsF={kχ?χ≤χsFs+αk(χ-χs)?χ＞χs式中k為初始剛度、χs為屈服位移、Fs=kχs為屈服力、α為屈后硬化比。圖3為設(shè)置彈塑性阻尼器后的參數(shù)分析結(jié)果,本文采用屈服力為480kN的彈塑性阻尼器。表3為設(shè)置彈塑性阻尼器時,各控制截面的地震內(nèi)力計算與屈服彎矩驗算結(jié)果。其中,截面屈服彎矩采用有限元方法求得。可以看出,設(shè)置彈塑性阻尼器后,固定墩底的地震彎矩有效減小,小于截面的屈服彎矩,滿足規(guī)范要求。2號過渡墩墩底彎矩從293982kN×m減小到214389kN×m,減小了27%。7減隔震設(shè)計技術(shù)以減隔震原理為背景,從提高連續(xù)梁橋的抗震性能出發(fā)可以得到以下結(jié)論:(1)采用延性設(shè)計,通常會不可避免地造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷;而采用減隔震設(shè)計,在有效減小結(jié)構(gòu)地震