五O四厂黄河大桥摩擦摆支座减隔震分析报告-R=3.5

1、五O四厂黄河大桥摩擦摆支座减隔震分析报告兰州交通大学2011年8月TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2一、工程概况1 HYPERLINK l bookmark6二、摩擦摆支座的恢复力模型3 HYPERLINK l bookmark8三、摩擦摆支座的减隔震布置方案5 HYPERLINK l bookmark10四、自振特性分析6 HYPERLINK l bookmark12五、输入地震动8 HYPERLINK l bookmark14六、摩擦摆支座隔震的非线性时程分析9 HYPERLINK l bookmark16七、E2水准抗震性能验算14 HYPERLINK

2、 l bookmark20八、结论与建议15一、工程概况五O四厂黄河大桥为3跨预应力混凝土连续箱梁桥，桥跨布置为(68.8+125+68.8)m,桥梁桩号里程为K0+405.00K0+667.60。桥墩采用实体式矩形桥墩，基础采用钻孔灌注桩基础。上部结构为单箱单室的变截面梁高,跨中梁高为3.0m,支点梁高为7.0m。桥面宽为18.0m,其中行车道宽为14.0m。1#墩为制动墩，2#墩米用高桩承台，从桩顶算起有9.1m高度的桩身位于库区蓄水水位线以下。抗震设防烈度为8度，场地特征周期为0.4s,场地类别为II类，抗震设计分组为第二组。桥型布置及结构尺寸，见图1.1图1.3。图1.1桥型布置图no

3、n900图1.2主梁截面示意 込泗J/空L湖5丄200土5)200|1|200|1|200.1620图1.3剖面示意 二、摩擦摆支座的恢复力模型摩擦摆隔震装置在1985年由美国的Zaws等人提岀，同年摩擦摆支座（FPB）由美国EPS公司发明。摩擦摆支座隔震消能原理是利用滑动面的设计延长结构的振动周期，以大幅度减少结构因地震作用而引起的放大效应，通过支座的滑动面与滑块之间的摩擦来达到消耗地震能量（见图2.1）o此外，其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢复原位。摩擦摆支座造价低、施工简单、承载能力高，除有一般平面滑动隔震系统的特点外，还具有良好的稳定性、复位

4、功能和抗平扭能力。近年来，摩擦摆支座在美国和欧洲的桥梁减隔震设计中也得到了广泛的应用。跨欧洲的土耳其BoluViaduct高速公路高架桥，在1999年Duzce地震（M=7.2）中，原设计使用的钢屈服耗能装置和盆式橡胶支座在地震中严重破坏，震后采用536个摩擦摆支座进行加固。旧金山海湾地区的Benicia-Martinez桥在1989年LomaPneta地震中遭受了严重破坏。震后该桥的采用摩擦摆支座和阻尼器进行加固，它是目前世界上采用隔震技术进行改造的最大桥梁。加州福尔松的美洲河桥是目前世界上最大的新建隔震桥梁2，该桥共安装了48个摩擦摆隔震支座。密西西比河上的140大桥，它位于新马德里地震区

5、的东南边界，采用了摩擦摆支座抗震加固。目前加州有几座桥梁上的摩擦摆隔震系统已经在频繁的地震中经受了考验，起到了良好的隔震效果。摩擦摆支座主要包括用限滑动螺栓、不锈钢材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑块以及用来与上部结构相连的盖板，其构造示意如图2.2所示。摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动，隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制，阻尼由动摩擦系数来控制。限滑动螺栓剪断前，摩擦摆隔震支座不发生滑动，在其支撑下的隔震桥梁结构与普通桥梁结构相同；当地震将限滑动螺栓剪断后时，摩擦摆隔震支座发生位移。地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成图2.3所示的双线性

6、滞回模型。 图21单摆工作原理1-滑动曲而；2-抗滑螺栓：3限滑块4-滑动块；5-上座板：6-下座板图2.2摩擦摆支座构造图中，|X为动摩擦系数；炉为竖向荷载；K为初始刚度，K】=0V/Dy；Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度，心=妙/皿R为曲率半径，按式（2.1）计算；Dy为屈服位移；Dd为极限位移；(2.1)式中，T为摩擦摆系统的隔震周期。 三、摩擦摆支座的减隔震布置方案普通支座的布置示于图3.1、图3.2。摩擦摆支座的布置示于图3.3、图3.4。 # #2、减隔震设计方案17 # 21双向活动支座；2-纵向活动、横向摩擦摆；3-纵向活动、横向摩擦摆;4-固定摩擦摆支座；5-双向活动支座；6-

7、纵向活动、横向摩擦摆；7-双向活动支座；8-纵向活动支座、横向摩擦摆图3.2摩擦摆隔震支座平面布置四、自振特性分析全桥有限元计算模型示于图4.1,其自振周期及相应振型列于表4.1,示于图4.2图4.6。2#墩图4.1全桥有限元计算模型表4.1自振特性一览表模态号频率/Hz周期/s振型特征10.8491.178主梁竖向弯曲振动21.4430.693主梁竖向弯曲振动、1#墩顺桥向弯曲振动31.7390.575主梁及桥墩横桥向41.7420.574主梁竖向弯曲振动、1#墩顺桥向弯曲振动52.4390.410主梁竖向弯曲振动图4.2第1振型图4.3第2振型 图4.4第3振型图4.5第4振型图4.6第5

8、振型 五、输入地震动E2水准时程反应分析时输入的3条人工地震波，见图5.1图5.3o 六、摩擦摆支座隔震的非线性时程分析1、摩擦摆支座设计技术参数FPB号W恒载重kNFy/kN支座摆动刚度/kN/m256102811603340880204411680440880204411680640880204411680856102811603摩擦摆支座的主要设计参数，列于表6.1。依据表6.1中的数值进行摩擦摆支座的技术参数初步设计。表6.1个支座主要设计参数摩擦摆支座的曲率半径R=3.5m时,摩擦摆系统的隔震周期T=3.72s,约为隔震前结构周期(1.443s)的2.6倍。摩擦摆支座的摆动刚度：Kf

9、ps=W/R取摩擦系数“=0.05,摩擦力Yy=fiWQ 2、摩擦摆支座隔震非线性时程分析结果非线性时程反应结果列于表6.2表6.6o表6.2顺桥向时程反应时程反应wave-1wave-2wave-3最大值1#墩顶位移/mm5677墩底弯矩/kNm49441568937471174711墩底剪力/kN758685621127411274承台底弯矩/kNm8493395431121703121703承台底剪力/kN12093116311369113691表6.3横桥向时程反应时程反应wave-1wave-2wave-3最大值1#墩顶位移/mm2222墩底弯矩/kNm237942919339252

10、39252墩底剪力/kN4067495666526652承台底弯矩/kNm49288578577505975059承台底剪力/kN7591883010315103152#墩顶位移/mm5868墩底弯矩/kNm25067346294004140041墩底剪力/kN4345626365816581河床处桩身弯矩/kNm694410481819310481河床处桩身剪力/kN1496227017872270河床处桩身轴力/kN3320507644635076表6.4顺桥向墩梁相对位移时程反应wave-1wave-2wave-3最大值坪墩支座位移nun95153271271表6.5横桥向墩梁相对位移时

11、程反应wave-1wave-2wave-3最大值0#台支座位移nun82160258258埔墩支座位移nun871612572572特墩支座位移nun991612632633书台支座位移nun104162255255表6.6梁体位移时程反应wave-1wave-2wave-3最大值顺桥向梁体位移nun991562762760#台处横桥向梁体位移nun821602582581#墩处横桥向梁体位移nun871602592592#墩处横桥向梁体位移nun1001632602603#台处横桥向梁体位移nun1041622552553、典型时程分析曲线1#墩顺桥向第1条的非线性时程曲线示于图6.1图6.

12、7OOM0COS-OOM0X030.002aooiocoo0X01-0.002-OOH-O-OW345678oon12131415161718192021时齡）图6.1墩顶顺桥向非线性位移时程 # # a411(01(5)-10000图6.2支座顺桥向非线性位移时程25W02000015W0TOC o 1-5 h zcloroo$500050-5W0CT1500020CD0253030W035000-40000-45W0-50000图6.3墩底顺桥向非线性弯矩时程25000 0.0010.001-25000 #-0.00：012345678011121314131017IBJ92021图6.4

13、墩顶横桥向非线性位移时程OuOTO-i11125000 #25000 #2345678oII12131415161718192021时凤S)图6.5支座横桥向非线性位移时程100CniMiiin1W00-17000-15000-II!lll_EiisiiiiiHiiiiimil,iII2100023000IlfIMdiIjlilWHEiiailUIIIBIMBliriaiuiiiwinn25000 #25000 4S67a0011121314151617IB102021PX5)图6.6墩底横桥向非线性弯矩时程 图6.7支座滞回曲线 七、E2水准抗震性能验算1、桥墩的抗震验算（1）桥墩的转动能力

14、验算固定墩的顺桥向地震作用控制设计，其验算列于表7.1。表7.1墩底顺桥向延性验算墩号墩底弯矩Mnwi/kN-niMy/kN-mMinaXMy是否通过验算1#747111.39E5是是由上表可知，桥墩在E2水准地震作用下，隔震后墩底的最大弯矩小于桥墩的初始屈服弯矩，桥墩处于弹性状态，在桥墩的延性能力满足公路桥梁抗震设计细则的抗震设防要求。（2）桥墩塑性较区的斜截面抗剪验算验算公式：QS0.0023収式中，N为剪力设计值；0为抗剪强度折减系，取0.85；广为混凝土抗压标准强度（MPJ；&为核心混凝土面积（cm2）；乙为箍筋提供的抗剪能力（kN）；X=0.1学几3067优&厶为同一截面上的箍筋总面

15、积（cm2）；S才为箍筋间距（cm）；b为沿计算方向墩柱的宽度（cm）；几为箍筋抗拉强度设计值（MPJ。表7.2桥墩的抗剪强度计算顺桥向墩底剪力Q/kNVg/kN第1条波第2条波第2条波最大值1#墩75868562112741127420240表中，Q为输入地震动下隔震后的墩底最人剪力由表7.2知，在E2水准地震动作用下，隔震后有：Qvcu结论：E2水准地震作用下，隔震后桥墩的抗剪强度基本满足要求。2、桩基的抗震验算固定墩桩的顺桥向控制设计。隔震后1#墩（固定墩）承台底的E2水准最大弯矩小于E1水准承台底的弹性最大弯矩。因此，隔震后顺桥向固定墩（1#墩）的桩身强度满足要求，达到了大震不坏的设防水准。2#墩桩的验算结果见表7.3。桩基础为钻孔灌注桩基础，桩径为2.0m,截面配筋率为0.59%o表7.3桩基础抗震验算（弯矩：kNm,轴力：kN）墩号计算方向单桩最不利轴力桩身最大弯矩桩身等效屈服弯矩是否满足2#墩横桥向78281048110539是八、结论与建议通过对五O四厂黄河大桥的减、隔震分析及抗震