多跨连续梁桥墩处隔震措施对地震响应的影响

多跨连续梁桥墩处隔震措施对地震响应的影响

1桥梁隔震措施研究多段混凝土连续桥具有结构刚性大、变形小的特点，在中国得到了广泛的应用。但是对于连续梁桥来说,绝大多数上部结构的地震作用都是由固定墩来承受,因而固定墩的抗震设计必须满足强度和延性两方面的要求。传统结构抗震设计方法是增大桥墩和基础的截面尺寸及配筋量,这不仅增加结构造价,还带来施工困难,甚至在一些高烈度地区,即使采用延性抗震设计也很难满足桥梁的抗震性能目标要求。为此经过大量研究发现,采用隔震措施是解决此类问题较好的方法。桥梁隔震措施是通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入,从而达到降低结构地震反应的目的,它具有减轻结构地震反应、使主体结构始终处于弹性工作状态,及震后修复方便等优点。目前,国内外学者对桥梁隔震措施的研究多数集中在隔震措施对大中跨度连续梁桥的适用性方面,而通过合理选择实桥中的隔震支座,了解不同隔震支座对桥梁抗震性能影响的研究开展得较少。因此,对桥梁采用合理有效的隔震支座以确保其在地震中的安全性,有着十分重要的社会和经济意义。2灌排桥施工设计某工程为一座70m+4×120m+70m的六跨预应力混凝土变截面连续梁桥(图1),上、下行分离,单幅桥宽16.5m,混凝土梁采用单箱单室箱形截面,中支点梁高7.4m,跨中梁高3.0m。0~6号墩高分别为:14.87,12.42,14.91,15.76,14.91,12.42和16.30m,基础为直径2.2m的钻孔灌注端承桩。该桥主要构件的混凝土强度等级为:主梁C55、桥墩C40、承台C35、桩基础C35,其泊松比ν均为0.2,质量密度均为2600kg/m3。根据设计资料,桥面二期恒载集度为87.7kN/m,采用B类抗震设防,场地抗震设防基本烈度为7度,抗震设防措施等级为8度。由于连续梁桥主梁是通过支座与墩、台相互连接的,支座对桥梁地震反应有很大影响,当梁体与墩、台之间采用固定支座连接时,墩、台所受的地震水平力将非常大,使得固定墩顺桥向成为抗震设计的关键,因此本文仅讨论顺桥向的隔震体系。对于该连续梁桥而言,由于只设置3号墩一处固定墩,使得该墩处于十分不利的受力状态。因此,尝试对该桥进行隔震设计,使地震作用下隔震装置消耗大部分地震能量,从而降低下部结构所承受的惯性力和延性需求。摩擦摆支座是通过滑动摩擦消耗地震能量,减震球型支座通过弹簧装置保证恢复刚度及弹性变形来抵御地震输入能量。本文采用摩擦摆支座和减震球型支座2种隔震体系进行对比研究,以期得出该桥隔震设计最优方案和建议,供设计单位优化设计时参考。3构件特性分析本文采用通用有限元软件ANSYS建立了该桥的三维有限元计算模型(图2)。根据研究的需要,建立鱼刺骨脊柱梁模型。其中,主梁、桥墩、承台和桩基础均采用空间梁单元Beam188模拟,刚臂采用Beam4单元模拟,支座采用非线性弹簧单元Combin39模拟,为考虑桩土效应建立桩基单元,采用m法模拟桩土相互作用,二期恒载采用三维质量单元Mass21模拟。在模型中,各构件截面特性、连接方式及边界条件均按实际情况确定,力求较真实地反映实际结构的力学特性。综合考虑桥梁整体减隔震设计目标及梁纵向连接方式,为了使结构在地震作用下的受力较为合理,经大量参数分析比较,本文确定2种隔震支座的参数如下:①摩擦摆支座,摩擦力1007.8kN,初始刚度503.9kN/mm,滑动刚度15.0kN/mm;②减震球型支座,摩擦力1007.8kN,初始刚度503.9kN/mm,滑动刚度10.0kN/mm。根据前期已完成的计算分析,并结合以往常规多跨连续梁桥的工程经验可知,在该六跨连续梁桥的3个中间墩处(图1中的2~4号墩)设隔震支座效果较为理想。4振型特性分析为了掌握结构的动力特性,对模型进行了模态分析。表1为该桥在采用抗震和2种隔震体系时前10阶自振频率及振型主要特性,从表1可以看出,体系的振型没有因为支座形式的变化而改变,前10阶振型特性均主要表现为主梁纵飘、竖向弯曲振动和横向弯曲振动,反映了连续梁桥结构体系的一般特点。2种隔震体系下,结构的基频分别为0.177Hz和0.206Hz,与抗震体系相比,分别降低了62.97%和56.91%。5地震动输入模式依据抗震设计细则规定,此桥主跨属于B类抗震设计类别,选取100年超越概率4%的地震动输入(输入模式为顺桥向和横桥向分别输入),不考虑竖向地震动的作用,并采用《大桥工程场地地震安全性评价报告》提供的3条不同的地震加速度时程曲线,分析时取3条地震波响应结果的最大值。5.1号固定墩总弯矩和弯矩变化连续梁在3号墩采用固结体系,故其地震响应最大。因此,隔震的主要目标是减小3号墩的地震响应。抗震和2种隔震体系下,桥墩墩底、墩顶顺桥向剪力Q和弯矩M分别见表2、表3,其隔震体系内力与抗震体系内力的差除以抗震体系内力所得到的内力相对值分别见表4、表5。从表2可以看出:未采取隔震措施时,各墩墩底的总剪力为5.637×104kN,总弯矩为8.100×105kN·m,3号固定墩承担了31.6%的总水平剪力和35.9%的总弯矩;采用减震球型支座隔震时,各墩墩底的总剪力为2.789×104kN,总弯矩为4.672×105kN·m,3号固定墩承担了18.1%的总水平剪力和24.2%的总弯矩;采用摩擦摆支座隔震时,各墩墩底的总剪力为2.744×104kN,总弯矩为4.530×105kN·m,3号固定墩承担了18.2%的总水平剪力和23.3%的总弯矩。从表3可以看出:未采取隔震措施时,各墩墩顶的总剪力为2.96×104kN,总弯矩为1.49×105kN·m,3号固定墩承担了26.16%的总水平剪力和30.89%的总弯矩;采用减震球型支座隔震时,各墩墩顶的总剪力为2.07×104kN,总弯矩为8.91×104kN·m,3号固定墩承担了23.13%的总水平剪力和28.78%的总弯矩;采用摩擦摆支座隔震时,各墩墩顶的总剪力为1.87×104kN,总弯矩7.54×104kN·m,3号固定墩承担了22.60%的总水平剪力和27.14%的总弯矩。从表4、表5可以看出:3号固定墩隔震效果最明显,墩底弯矩分别减少了63.80%和66.23%,墩底剪力分别减少了71.63%和71.98%;墩顶弯矩分别减少了44.42%和55.67%,墩顶剪力分别减少了44.42%和55.67%。可见2种隔震体系隔震效果显著。因此,采用2种隔震措施后,桥墩墩顶和墩底顺桥向的总剪力和总弯矩显著降低,各墩承担的剪力和弯矩与抗震体系相比分布更均匀,3号固定墩承担的总水平剪力和弯矩也显著减小,因此采取隔震措施对构件的设计有利。表6给出了抗震和2种隔震体系下支座顺桥向剪力值,从表6可以看出,3号墩支座顺桥向内力最大,当未采取隔震措施时,3号墩支座顺桥向内力为8.775×103kN,超过了固定支座最大水平承载力8×103kN,结构不能满足抗震强度的要求;当采取隔震措施时,减震球型支座时3号墩支座顺桥向内力为2.300×103kN,采用摩擦摆支座时3号墩支座顺桥向内力为2.239×103kN,均能满足结构抗震强度的要求。5.2交接处和墩顶位移在地震作用下,主梁与桥墩相对位移过大会引起支座脱落,甚至落梁而导致连续梁的严重破坏,因此连续梁桥除了要满足结构抗震强度的要求外,还不能有过大的顺桥向位移。顺桥向梁墩交接处和墩顶的位移见表7,从表7可以看出,减震球型支座的隔震体系最大梁墩交接处的位移为17.4cm,摩擦摆支座的隔震体系最大梁墩交接处的位移为16.6cm,均比抗震体系主梁纵向位移17.7cm小;减震球型支座的隔震体系最大墩顶位移为5.49cm,摩擦摆支座的隔震体系最大墩顶位移为5.16cm,均比抗震体系最大墩顶位移15.5cm小。因此,采用隔震体系能减小梁墩交接处和墩顶顺桥向位移,且摩擦摆支座比减震球型支座的墩梁位移更小。摩擦摆支座的隔震体系的最大顺桥向墩梁相对位移均比减震球型支座的隔震体系小。6结构体系的设计从上述分析可知,初步拟定的纵向隔震设计方案均能有效地降低3号墩所承担的纵向地震内力,使各墩承担的剪力和弯矩分布更均匀,计算表明2种方案均能满足强度和变形要求。由于该桥为六跨预应力混凝土连续梁桥,主跨径为120m,上部结构重量大,支座的竖向承载力达到40000kN,且为矮墩结构,桥墩要承受巨大的地震力。而隔震支座作为重要的传力构件,除应具有普通支座稳定的承载力外,还必须具有一定的回复刚度,以及是否受使用温度和老化因素的影响等特点。通过减震球型支座和摩擦摆支座的性能比较可知,摩擦摆支座在各方面性能都具有一定的优势,故本文建议其为推荐方案。7梁桥结构体系的特点本文通过对多跨连续梁桥隔震措施进行研究,得到以下主要结论:(1)本文的隔震体系显著降低了结构的基频,但不改变结构的振型特性,因此2种隔震体系均表现出连续梁桥结构体系的特点。(2)2种隔震体系均能有效地降低顺桥向桥墩墩底总剪力