大跨度连续梁桥减隔震技术研究现状

大跨度连续梁桥减隔震技术研究现状

由于成本经济合理，设计施工技术成熟，维护工作量小，完整性好，运营舒适等优点，已成为大型横跨桥和所引用桥的常见类型。但是大跨度连续梁桥体形庞大,头重脚轻,地震作用时下部结构的强度和变形需求较大。传统结构抗震设计方法是依靠增加结构的强度和延性变形能力来抵抗地震,这就需要增大桥墩和基础的截面尺寸及配筋量,不仅大大增加了下部结构的造价,还给施工带来了一定困难。在一些高烈度地区,即使采用延性抗震设计的概念也很难满足桥梁的抗震性能目标要求。采用减隔震技术将桥梁上下部结构振动分离开来,减小桥墩承担的地震力是解决大跨度连续梁桥抗震问题的新思路。大跨度连续梁桥对隔震支座的竖向承载力和侧向变形能力要求较高,限制了一些常用减隔震技术的使用,给减隔震设计带来了困难。本文将对大跨度连续梁减隔震技术的研究现状进行调查研究,探讨大跨度连续梁桥减隔震技术问题的解决思路和研究方向。1连续梁桥的滑动隔震技术很多学者对现有减隔震技术在大中跨度连续梁桥中的适用性进行了探讨。徐秀丽等对某大型跨江桥梁的引桥(50m+9×75m的连续梁桥)综合比较了四种减隔震方案,其分别采用了具有复位弹簧的滑动摩擦支座、粘滞阻尼器、lock-up装置、铅芯橡胶支座。最后作者得出结论:滑动支座可以显著降低桥墩地震力,但是在支座处会产生较大的相对位移,纵桥向震后纠偏比较困难,此方案仅适用于横向抗震;粘滞阻尼消能减震设计方案不仅可以降低桥墩的内力,还可以降低墩梁之间的相对位移,但由于地震作用下横桥向墩梁间速度差较小,此方案一般只适宜用于纵向减震;lock-up装置可以使地震作用下固定墩和自由墩的内力分布均匀,并且其价格便宜、施工方便,但其仅适用于纵向隔震;铅芯橡胶支座使墩底内力降低很多,减震效果优于滑动支座,且产品性能稳定,但对于大跨度桥梁,由于正常使用状态下主梁的伸缩变形比较大,铅芯橡胶支座的纵桥向应设计为滑动支座,所以其仅适用于连续梁桥的横向抗震。王磊等对吉林龙华松花江特大桥联合使用lockup装置和液体黏滞阻尼器装置的减隔震方案进行了研究,并认为lock-up可以使滑动墩很好的分担地震力但其没有耗能能力,粘滞阻尼器可以消耗能量,降低总体反应,但对固定墩地震内力的减震效果不好,lock-up装置和液体黏滞阻尼器的联合使用可同时使这两种结构保护装置的优点得以发挥。值得注意的是,设置lockup装置后结构的周期会变短,可能显著增加结构的地震响应,所以lock-up装置对于周期较长的高墩连续梁桥较适用,对于矮墩桥的使用存在着风险。滑动隔震技术具有较大的竖向承载能力且隔震效果良好,在大跨度连续梁桥减隔震技术研究中受到了很多的关注。龚一琼等对纯滑动隔震技术在大跨度连续梁桥中的应用进行了探讨,其将连续梁桥中的固定支座改造为临时滑动的隔震支座。该支座为活动盆式支座加限定钢板做成,限定钢板用高强螺栓连接在支座顶板上,当地震作用下支座剪切力大于螺栓设计荷载时,螺栓被剪断,支座成为可以自由滑动的活动支座,上部结构变成了滑动体系。螺栓的设计荷载要保证能够承受汽车制动力,满足桥梁正常使用状态下的要求。对使用该技术的一座5跨连续梁桥(49.90m+3×80.00m+49.90m)进行计算分析表明,罕遇地震作用下原固定墩的剪力降为改造前的4.58%,弯矩降为改造前的6.44%,支座相对位移仅为77.2mm,取得了较好的减隔震效果。此类纯滑动隔震体系在滑动过程中不能提供恢复力,地震时主梁位移很难控制,结构的响应过程难以模拟。为了给滑动隔震体系提供恢复力和增加体系的阻尼耗能能力,很多学者将滑动隔震技术和其他隔震技术组合使用。郭磊等组合使用滑动隔震技术和弹塑性耗能减震技术对一座6跨大型连续梁桥(65m+110×4m+65m)进行减隔震设计,设计方案中联合使用钢棒阻尼器和活动盆式支座。为了保证桥梁正常使用的要求,钢棒阻尼器的屈服力与活动盆式支座的临界摩擦力之和大于活动盆式支座竖向承载力的10%,相比于传统的抗震设计方案,该方案大大降低了原连续梁桥固定墩墩底内力,同时控制了结构的位移。值得注意的是为了避免在正常使用状况下活动盆式支座发生较大的位移,弹塑性减震耗能装置的弹性刚度也不宜过小。徐利民等也采用了滑动隔震技术和弹塑性耗能减震技术对唐津高速公路永定新河大桥(82.75m+110m+82.75m三跨预应力混凝土连续箱梁桥)进行了减隔震设计,设计方案中联合使用了临时活动盆式支座和弧形钢板条组合的减隔震方案。同上述郭磊的设计方案不同的是,该方案支座初始刚度由支座抗剪销提供。原固定墩上设置临时活动支座,地震作用下当支座剪切力大于支座的容许水平承载力时,抗剪销剪断,固定支座变成了可以自由滑动的活动支座,这时弧形钢板条提供了支座的恢复刚度和弹塑性阻尼耗能机制。在采用滑动体系的桥梁减隔震设计中,地震作用时结构位移的控制比较困难。MuratDicleli对使用减隔震支座的同时增设弹性橡胶元件提供附加弹性刚度和恢复力的减隔震体系进行了研究。在一座连续钢梁桥(54m+85m+3×65m+40m)减隔震设计中,桥墩处使用FPS支座,而桥台处则使用多层弹性橡胶支座以增加结构的恢复刚度。在另外一个隔震桥梁的设计中,其在桥墩上使用减隔震支座的同时用弹性橡胶块连接桥墩和主梁。分析表明这种提供附加弹性刚度的方法能有效地减少了隔震装置位移而同时又使桥梁下部结构基底剪力保持在合理范围内。另外一种对滑动隔震技术的改进是摩擦摆式隔震支座(FPS)的开发应用,这类支座基于钟摆概念利用结构自重来提供支座恢复力,既保留了滑动隔震技术的优点又控制了结构的位移。摩擦摆式隔震支座在大跨度连续梁桥中的典型应用为美国的Benicia-Martinez桥隔震加固技术方案。该桥的主桥为11跨共4894英尺长的大跨度连续钢桁架公路桥,中间7跨均为528英尺。为了达到隔震效果,该桥的加固方案采用了22个摩擦摆式支座来替换原桥的支座。摩擦摆式隔震支座的阻尼耗能机制也主要依靠滑动接触面的摩擦来提供,为了提高该类支座的阻尼耗能机制,也可以与其他类型的阻尼器组合使用。鲁传安等对某强震区大跨径高墩连续梁桥(89m+170m+89m)组合使用摩擦摆式隔震支座和粘滞阻尼器进行设计。阻尼器主要是附加在两端桥台的纵桥向。通过对两种减隔震装置的合理的参数设计可以使结构的地震反应大幅下降,在0.816g高峰值地震作用下也能很好的控制结构的内力和位移。通过对大跨度连续梁桥减隔震技术研究的现状可以看出,大跨度连续梁桥减隔震设计的主要目标是减少固定墩的地震力同时控制结构的位移,使用的技术手段主要有柔性支撑隔震技术、滑动隔震技术、耗能减震技术、lock-up墩梁锁定技术及其各种技术的联合使用。各种减隔震技术和装置都有自己的特点和适用范围,为了得到更好的减隔震效果,合理的参数设计和装置的组合应用是关键。2新型减隔震合成无内固结装置为了突破现有减隔震技术和装置的限制,很多学者对新型的桥梁减隔震技术和装置进行了开发研究。国内同济大学较早对新型减隔震技术进行了研究。1989年范立础、袁万城等人提出弧形钢板条和滑板支座组合使用的减隔震体系。1995年又尝试将橡胶支座和金属阻尼器结合为一体,用弧形钢板包裹板式橡胶支座研制成减震橡胶支座。这些新型的减隔震体系将橡胶支座的较低的水平刚度和弧形钢板的滞回阻尼特性结合在一起。有限元算例分析表明该支座对梁式桥的地震力和位移反应都有较好的减隔震效果。但是这类支座都是在板式橡胶支座的基础上开发出来的,竖向承载力不高,限制了其在大跨度桥梁中的应用。为了适应大跨度桥梁支座反力较大的要求,需要发展滑动隔震技术在新型减隔震装置中的应用。组合使用滑动隔震技术和高阻尼橡胶粘弹性耗能机制的功能分离式支座受到了国内学者的关注。这类支座采用聚四氟乙烯滑板作为承重板,采用高阻尼橡胶缓冲块进行滞回耗能和提供回复力。国内薛晓锋等人通过剪切试验研究了高阻尼橡胶特征参数与激励频率、剪应变幅值、粘弹性层厚度、剪切面形状的关系,对高阻尼橡胶阻尼器的等价刚度和等价阻尼比公式进行了验证,并且通过算例分析了这种支座的减隔震效果。商耀兆等人改进了功能减隔震支座,通过折形连杆将梁体和高弹性阻尼橡胶连接在一起。梁体由聚四氟乙烯滑板支座支撑,高弹性阻尼橡胶体由挡板固定。折形连杆保证了正常使用状态下支座的自由变位,而在地震作用时又将高弹性阻尼橡胶块和主梁连接在一起,使高弹性阻尼橡胶块在支座发生大变形时提供恢复刚度和阻尼耗能机制。功能分离式隔震支座将具有隔震功能和减震功能的元件分离开来,使装置的参数设计具有更大自由范围。该类支座具有较大的承重能力和变形能力,在大中跨径的桥梁减隔震设计中有广泛的应用前景。摩擦摆式隔震支座(FPS)在大跨度连续梁桥中的成功运用,使得这种技术得到了更多的研究。一种在FPS支座的抗震机理上开发出来的新型支座———双曲面球型减隔震支座(Doubleconcavefrictionpendulumbearing)受到了很多学者的关注。这种支座最先在日本的得到了使用,美国、台湾地区、韩国的学者对此进行了深入研究。国内同济大学李建中、彭天波等也对这种支座进行了开发和研究。该支座上下两个滑动面均为凹球面,有各自的滑动半径和摩擦系数设计值,所以有更多的设计参数可供结构体系优化设计使用,而且这种构造措施使支座具有了更大的侧向变形能力。通过支座的摩擦系数测定试验、侧向滞回性能试验和回复力试验表明该支座摩擦系数稳定、减隔震性能良好、具有一定的位移恢复能力。该类支座的滑动面为球面,在出现水平位移的同时会有一定的竖向位移,彭天波通过分析表明该位移对梁体的受力影响不大。目前,双曲面球型减隔震支座在国内大跨度连续梁桥减隔震设计中开始得到了应用,已建成的苏通长江大桥引桥和在建的福厦铁路乌龙江特大桥中都使用了这种支座。为了提供附加阻尼来控制桥梁的地震响应,学者们也开展了一些新型的阻尼器研究。粘弹性阻尼器由于随温度变化其耗能减震效果不稳定,所以一般只在房屋建筑结构的耗能减震控制中使用。刘保东等人考虑将一种新型的粘弹性阻尼器用于桥梁的减隔震设计中。该阻尼器采用两种适用于不同环境温度区间的粘弹性阻尼材料串联而成,用来克服粘弹性材料阻尼特性的温度敏感性缺点,以适应桥梁所处的复杂温度环境。为了控制隔震结构的震后残余位移,具有超弹性特性的新材料———形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys)受到了土木工程领域的关注。这种合金具有较强的非线性变形恢复能力,有些学者尝试在减隔震支座中使用形状记忆合金,以期望这种支座既能有效限制墩梁相对位移又能在震后恢复的原来的形状,并在这方面进行了理论和试验研究。总结现有的桥梁减隔震装置,可以发现大部分减隔震系统可以分成隔震支座和附属装置两种部分,隔震支座应该具有较大的竖向刚度来支撑结构的重量和较大的水平变形能力来适应结构的变形。附属装置可以提供附加阻尼耗能功能、正常使用状态下主梁的限位功能、震后的支座自动复位功能等。最常用的隔震支座有橡胶类支座和滑动类支座,滑动类支座由于具有较大的竖向承载力在大跨度连续梁桥中有着更广阔的发展前景。附属装置可以分为:线性装置,使用具有粘弹性特性的聚合物来耗能或者提高自恢复能力;粘性装置,用高粘滞阻尼器获得较高的能量耗散能力;非线性装置,利用金属或者摩擦装置的非线性特性来耗能。不同的附属装置可以满足不同情况下隔震结构地震响应控制的一些特殊要求。合理的减隔震设计方案制定和新型的减隔震装置的开发都可以隔震支座和附属装置两方面进行考虑。3桥梁减隔震设计方法地震作用下隔震结构的位移响应与结构的性能状态密切相关,所以很多学者选择将结构位移作为桥梁减隔震设计的控制参数。ManuelJara和JoanR.Casasb对具有双折线力学特性隔震支座提出了基于位移的桥梁隔震设计方法和流程。该设计方法认为结构的损伤和材料的应变直接相关,可以通过支座材料的应变和结构材料的应变来定义结构的性能状态。根据支座材料的允许应变定义支座的目标位移,根据桥墩的材料允许应变定义出桥墩的目标位移。支座的目标位移、桥墩的目标位移和基础的弹性位移组成了隔震系统的最大位移。以该位移为控制目标通过调整支座参数和桥墩的截面尺寸、配筋率等使隔震桥梁满足性能要求。D.Cardone和M.Dolce等对连续梁桥和多跨简支梁桥基于位移的桥梁减隔震设计方法进行了详细的探讨,其内容不仅包括了新桥设计也包括了减隔震技术在旧桥加固中的应用。设计方法中考虑到的减隔震装置包括了普通板式橡胶支座(LDRB)、高阻尼橡胶支座(HDRB)、铅芯橡胶支座(LRB)、纯滑动摩擦支座(FSB)、摩擦摆式支座(FPS)及这些支座与粘滞阻尼器(VD)、金属屈服阻尼器(SYD)、记忆合金(SMA)等减震装置的组合使用。对不同的减隔震装置分别选用粘弹性模型(Visco-Elastic)、考虑硬化的弹塑性模型(Elasto-Plasticwithhardening)、考虑硬化的刚塑性模型(Rigid-Plasticwithhardening)、双旗形模型(Double-Flag-shaped)和线性及强非线性粘滞阻尼模型(Linearandstronglynonlinearviscousmodels)来表征其力学特征。分析方法仍然采用等效线性化的单自由度体系。用于设计的位移反应谱中给出了各种支座的可用阻尼范围和隔震体系可用周期范围,该位移反应谱中还给出了由桥墩截面尺寸和配筋率确定的桥墩墩顶位移-加速度关系。隔震桥梁的设计就是通过该位移谱表进行目标位移的确定、隔震装置的比选和参数调整、桥墩配筋率的设计等。相比于以结构的特定参数来描述结构的抗震性能,从能量的观点能更好地认识结构在强地震作用下非线性响应与地震动要素之间的关系。有些学者尝试将基于能量的抗震设计方法引入到桥梁减隔震设计中。杨风利在博士论文中探讨了基于能量的桥梁隔震设计方法。杨风利采用双自由度模型分析了地震动峰值加速度、支座刚度硬化比、系统等效阻尼比、支座位移延性比、隔震周期等因素对桥梁系统能量反应的影响,并确定采用隔震支座位移延性比、隔震周期和地震动峰值加速度为参数来绘制地震输入能量谱。然后根据场地条件选用地震波,对隔震系统进行非线性能量反应分析,得到了适用于各类场地的设计地震输入能量谱,提出了以隔震度为目标的桥梁减隔震设计方法和流程图。减隔震装置非线性力学特征往往会增加结构地震响应的复杂程度,这也给桥梁减隔震设计和分析带来了更多的困难。在桥梁减隔震设计方法中一般采用等效线性化办法将隔震桥梁简化为单自由度体系进行地震响应分析,然后根据分析结果来进行设计参数的选取和调整。隔震桥梁简化分析模型中最重要的参数是结构的等效阻尼比、等效周期和等效刚度。其中等效阻尼比表征着隔震支座的耗能能力,直接影响着等效线性化模型的分析精度,是简化模型中的关键参数。J.S.Hwang和K.C.Chang等采用双自由度模型研究了隔震桥梁的各参数对系统综合阻尼比的影响。J.S.Hwang和K.C.Chang通过对简化的双自由度隔震桥梁模型进行分析,认为采用经典阻尼理论和非经典阻尼理论计算出来的隔震系统的综合阻尼比几乎相同,规则隔震桥梁的综合阻尼比可以采用经典阻尼理论进行分析;隔震支座的等效阻尼比和桥墩的粘滞阻尼比对系统的综合阻尼比都有贡献;系统综合阻尼比受隔震支座等效刚度和桥墩侧推刚度比值的影响很大,当桥墩侧向刚度远大于隔震支座刚度时,系统综合阻尼比与隔震支座的等效阻尼比趋于相等,随着刚度比值增大,系统综合阻尼比明显降低;系统综合阻尼比受隔震支座等效阻尼比与桥墩粘滞阻尼比的比值影响不大,与上部结构和下部结构质量比的关系也不明显。所以简化模型中系统综合阻尼比公式应该考虑支座等效刚度与桥墩刚度比值的影响。ManuelJara和JoanR.Casasb认为隔震支座的等效阻尼比应能使隔震支座的等效线性化分析模型与非线性分析模型的地震位移响应分析结果一致。隔震支座的等效阻尼比表征着支座的耗能能力,等效阻尼比的公式应该反应隔震结构的能量耗散机制,而现行各抗震规范中隔震支座等效阻尼比随延性比的变化趋势与支座滞回耗能的变化趋势并不相同。ManuelJara和JoanR.Casasb选用一组地震波绘制了隔震支座的弹性位移反应谱和弹塑性位移反应谱,然后根据等效线性化体系与弹塑性体系位移相等的原则获得了各个延性系数下的等效阻尼比,采用自然对数函数关系表征等效阻尼比随着延性系数变化趋势,并且以此公式作为隔震支座在不同位移水平下的等效阻尼比公式。随着对桥梁抗震机理认识的深化和结构地震响应模拟技术的发展,人们发现结构震害现象不仅与震级有关,还受到了结构多向运动耦合作用、地震动多向激励、近场地震速度脉冲等复杂因素的影响。为了在隔震桥梁设计时考虑到这些不利因素的影响,一些学者尝试对现有的简化分析方法进行改进。GordonP.Warn和AndrewS.Whittaker为了研究AASHTO桥梁隔震规范中隔震支座位移简化公式的精度,在不同场地地震波和不同支座力学特性下比较了非线性时程分析结果和规范公式计算结果,发现如果考虑到隔震支座双向运动耦合作用和双向地震动激励的影响,规范公式会严重低估隔震器的位移。GordonP.Warn和AndrewS.Whittaker建议在原规范公式的基础上乘以了两个系数分别考虑隔震支座双向运动耦合作用和双向地震动激励对隔震器位移的放大作用。MuratDicleli和SrikanthBuddaram对隔震桥梁在近场地震作用下等效线性化分析的有效性进行了评估。通过对比近场地震作用下隔震桥梁等效线性化分析结果和非线性动力时程分析结果发现,等效线性化分析结果精度与近场地震包含速度脉冲的数量关系不大,但是受到了地震动的震级、结构与断层的距离、隔震支座的屈服后刚度和特征强度的影响,等效线性化分析对较近的断层距离、较低的隔震支座屈服后刚度和特征强度具有更高的精度。AASHTO规范中隔震支座的等效阻尼比方程忽略了这些因素。为了提高近场地震作用下隔震桥梁等效线性化分析的精度,应该对隔震支座的等效阻尼比方程进行改进。MuratDicleli和SrikanthBuddaram采用了两个近场地震系数NF1(Near-fault-factor-1)和NF2(Near-fault-factor-2)来考虑近场地震包含的速度脉冲、地震动加速度峰值、隔震器力学特征等因素对系统等效阻尼比的影响。4fps无检测隔震桥梁等效线性化分析方法简化了初步设计时的分析计算,但是等效线性化的方法仅能近似获得隔震桥梁的位移峰值响应,其计算结果的稳定性和精度都不高。所以在完成了初步设计后要想获得隔震桥梁在地震作用下更精确更详细的响应过程应该进行三维的非线性动力时程分析。隔震桥梁非线性动力分析的困难在于隔震装置非线性力学特征的模拟。MiratEroz和ReginaldDesRoches基于Opensees软件开发了一个3维的非线性FPS单元来模拟摩擦摆式支座的各种非线性力学特征,研究了法向力(N)、摩擦系数(μ)、平面内双向滑动耦合作用、P-Δ效应等各种非线性因素对隔震桥梁地震响应的影响。将忽略这些因素的分析结果与精确模型分析结果相比较发现,结构响应过程中法向力和摩擦系数的波动、FPS支座双向滑动耦合作用对隔震桥梁的地震响应分析结果影响最大,忽略P-Δ作用对分析结果影响不大。竖向地震动作用下会出现主梁的上举和竖向撞击作用,如果不考虑法向力的变化会严重低估支座受到的轴向荷载,进而低估了支座传递的侧向力和支座的最大位移;如果不考虑支座双向滑动耦合作用和摩擦系数的变化会低估了墩顶位移漂移率;如果不考虑地震时摩擦系数的变化,可能会高估或者低估支座位移响应,分析结果不稳定。所以,如果在隔震桥梁非线性分析中采用普通的双折线模型来模型FPS支座,可能会存在较大的分析误差。EricAbrahamson和SteveMitchell等提出了基于ADINA程序开发的两种隔震支座单元分别用来模拟铅芯橡胶支座和摩擦摆式支座。铅芯橡胶支座单元竖向采用了非线性弹簧模拟支座竖向受力特性,该弹簧力学模型的卸载路径和加载路径相同;支座水平向采用具有硬化特性的双向弹簧控制,该弹簧的屈服面是圆形,可以模拟支座变形的双向耦合作用,塑性变形增量由Prandl-Reuss流动法则来控制。通过与SAP2000中采用3D-BASIS-ME单元计算的隔震结构的地震响应相对比证实了该单元的计算精度。摩擦摆式支座竖向受力特性通过定义一个罚函数来模拟,水平受力通过定义