高墩橋梁減震設(shè)計(jì)研究

高墩橋梁減震設(shè)計(jì)研究

隨著我國(guó)西南、西北地區(qū)山區(qū)道路和鐵路的快速建設(shè)以及城市橋梁的發(fā)展，高墩橋已廣泛應(yīng)用于我國(guó)西南、西北部的高山公路和鐵路。高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)一直是國(guó)內(nèi)外工程界關(guān)注的難題,通常采用延性抗震方法進(jìn)行設(shè)計(jì),而震后易修復(fù)的減隔震方案較難應(yīng)用于高墩橋梁。高墩延性設(shè)計(jì)十分困難,且按多個(gè)塑性鉸進(jìn)行墩柱延性抗震設(shè)計(jì)性能未必可靠。橋梁常用的減隔震設(shè)計(jì)方法是采用墩頂減隔震,而墩底減隔震鮮有采用,目前世界上只有幾座橋梁采用墩底減隔震方式,如希臘Rion-Antirion跨海斜拉橋。本文提出在橋墩中層放置減隔震支座的結(jié)構(gòu)形式,在墩中上部位置設(shè)置減隔震支座,變高墩為低墩,使得橋墩由抗彎轉(zhuǎn)向抗剪,還可以增強(qiáng)橋梁體系的耗能減震與限位能力,提高高墩橋梁采用減隔震技術(shù)的適應(yīng)性。1中隔震系統(tǒng)的原理和裝置1.1結(jié)構(gòu)的加固安全壓減隔震技術(shù)采用柔性支承延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期,減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng);采用阻尼器式能量耗散元件,限制結(jié)構(gòu)位移;保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度。結(jié)構(gòu)的加速度譜和位移譜如圖1所示。中層減隔震支座的放置,將傳統(tǒng)高墩分成2部分,上半部分橋墩與梁體固結(jié)。中層減隔震裝置見(jiàn)圖2。1.2中間減隔地震高8cm力學(xué)模型2上跨板式結(jié)構(gòu)單墩充填料以某城市連續(xù)梁橋?yàn)橐劳?計(jì)算聯(lián)橋墩為高30m,順橋向3m,橫橋向6m,壁厚0.5m的空腹式單墩,上部結(jié)構(gòu)為混凝土箱梁。本文分析了4種型式的橋梁:剛構(gòu)橋梁、墩頂減隔震體系橋梁、墩底減隔震體系橋梁、中層減隔震體系橋梁(考慮到梁體剛度并非無(wú)限大,故支座放置分別在0.5倍墩高位置和0.6倍墩高位置,用于比較二者差異,其中0.6倍墩高指支座距墩底高度為整個(gè)橋墩高度的0.6倍)。2.1橋墩內(nèi)減隔震支架設(shè)置橋梁減隔震型式如圖3所示。1)墩頂減隔震體系。即在橋墩頂部放置減隔震支座。上面結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁,下部的橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)。橋梁墩身在地震力作用下會(huì)發(fā)生一定程度的彎曲變形,即產(chǎn)生墩頂位移。2)墩底減隔震體系。即在橋墩底部放置減隔震支座。橋墩頂部與上部結(jié)構(gòu)固結(jié)。為了保證墩底減隔震體系的幾何穩(wěn)定性和抗覆性(主要是橫向),必須在橫向設(shè)置至少2個(gè)分離的支座(單墩橋梁)或者應(yīng)用框架式橋墩。3)中層減隔震體系。即在橋墩中上部設(shè)置減隔震支座。上半部分橋墩與梁體固結(jié),下半部分橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)。支座布置型式同墩頂減隔震體系。對(duì)于同一座橋梁進(jìn)行4種設(shè)計(jì)(剛構(gòu)橋、墩頂放置減隔震支座、墩底放置減隔震支座、墩中層放置減隔震支座),對(duì)它們的動(dòng)力特性與地震反應(yīng)進(jìn)行分析與比較。本文針對(duì)采用這4種型式均可行的梁橋,分析橋梁動(dòng)力特性與地震反應(yīng)變化的一般規(guī)律,并應(yīng)用SAP2000程序進(jìn)行有限元模型分析,得出有關(guān)中層減隔震體系減震特點(diǎn)的一些初步結(jié)論。2.2邊墩支護(hù)結(jié)構(gòu)支座采用摩擦擺支座(FPS),支座噸位為3000t(中墩支座)與800t(邊墩支座),曲率半徑分別為6,4m。其中墩頂減隔震體系與中層減隔震體系的支座反力19000kN,墩底支座反力20000kN,邊墩支座反力5000kN。橫向布置2個(gè)支座,間距3.0m。支座參數(shù)如表1所示。2.3主橋不考慮樁土相互作用計(jì)算模型中,橋墩采用框架單元,支座采用Plastic(Wen)進(jìn)行模擬,主橋不考慮樁土相互作用,即在建立模型時(shí)將基礎(chǔ)按剛性固結(jié)處理。所建立的模型如圖4所示。2.4力加速度特征依照文獻(xiàn)確定水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜,取最大水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜為0.5g(g為重力加速度,g=9.8m/s2),特征周期為0.45s?？傻梅磻?yīng)譜如圖5所示,并按照此反應(yīng)譜生成3條時(shí)程波,將這3組數(shù)據(jù)反算成反應(yīng)譜與源反應(yīng)譜對(duì)照,其吻合良好,如圖6所示。取3條時(shí)程波計(jì)算得到不同型式橋梁震動(dòng)下關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。2.5墩頂、墩底彎力1)剛構(gòu)橋梁的墩頂與墩底彎矩、墩頂與墩底剪力均處在較高的水平,墩頂減隔震體系與墩底減隔震體系均在一定程度上降低了上述參數(shù),中層減隔震體系中墩頂與墩底彎矩均處于較低水平,僅為墩頂減隔震體系的40%。中層減隔震體系中,與0.6倍墩高布置型式相比,0.5倍墩高布置支座型式的墩頂、墩底彎矩大致相當(dāng),使得橋墩能夠發(fā)揮最大的效率。2)墩底減隔震體系的橋墩頂部位移為0.094m,中層減隔震體系為0.077m,墩頂減隔震體系最小,為0.04m;墩底減隔震體系墩底剪力小,墩頂減隔震體系墩底剪力最大,中層減隔震體系適中。這表明墩頂位移與墩底剪力“互斥”,相比較而言,中層減隔震體系更為合理。3)中層減隔震體系的位移較小,僅為0.077m,能很好地控制梁體順橋向位移。4)幾種減隔震體系的中墩支座變形與支座剪力大致相當(dāng),這表明中墩支座在不同減隔震體系中的響應(yīng)并無(wú)差異。5)中層減隔震體系的支座位移與支座剪力較低,減少了主橋?qū)叾盏哪芰π枨?并能避免落梁事故的發(fā)生。2.6結(jié)構(gòu)的特性和特性1)與通常設(shè)計(jì)的高墩相比,中層減震裝置在隔震作用發(fā)生前各方向抗推剛度大,大大提高了高墩橋梁采用減隔震技術(shù)的適應(yīng)性。2)具有很好的經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)采用的橋墩基礎(chǔ)的能力設(shè)計(jì)要求大大降低,與延性抗震設(shè)計(jì)高墩相比,震后更加方便維修。3)應(yīng)用減隔震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行強(qiáng)震情況下高墩的抗震設(shè)計(jì),預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)的減震限位部件,保護(hù)主要構(gòu)件墩身,顯著提高高墩的抗震能力,體現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì),能夠很好的解決高烈度區(qū)的山區(qū)高墩橋梁的抗震問(wèn)題。3中層減隔震體系1)中層減隔震體系大大提高了結(jié)構(gòu)的剛度,使其更適于減隔震技術(shù)的應(yīng)用。2)在同樣的地震波作用下,中層減隔震體系具有比墩頂、墩底減隔震體系更優(yōu)越的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。橋墩內(nèi)力顯著降低,這大大降低了橋梁對(duì)基礎(chǔ)的能力需求。同時(shí),應(yīng)用中層減隔震體系,可以降低主橋?qū)τ谶叾盏哪芰π枨?大大提高了下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。3)相對(duì)于墩頂與墩底減隔震體系,中層減隔震體系能夠有效降低地震力的影響與減小梁體順橋向位移。但對(duì)于這種特殊型式的橋梁,應(yīng)當(dāng)注意的是高墩橋梁中層減隔震體系具有良好的抗震效果,但同墩底減隔震體系一樣,應(yīng)在放置中層減隔震支座的同時(shí)設(shè)置擋塊或設(shè)置拉索支座等限位裝置,防止橋墩由于可能產(chǎn)生