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文档简介
钢筋混凝土连续梁桥延性抗震设计与减隔震设计
延长抗疲劳设计和减阻抗疲劳设计是目前桥梁抗疲劳设计中的两种常见设计理念。2种思想的机理不同、适用范围不同、抗震设计采用的方法和措施也不同。因此,本文以一座实际的钢筋混凝土连续梁桥为例应用2种思想进行抗震设计,通过对设计结果的对比,建议了最终的设计方案。12抗强设计方法的比较1.1桥梁减隔震的工作机理延性抗震设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用,设计时是通过增加结构、构件延性来实现,对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。在该方法中,容许很大的地震力和能量从地面传递给结构,而抗震设计时要考虑的问题是如何为结构提供抵抗这种地震力的能力。桥梁减隔震设计是通过引入隔震装置改变结构在地震中的动力响应特性,从而减少地震输入,外加耗能机制作为主要的抗震构件,而以结构构件抗震为辅。在该方法中,基本目的是要大大减小传递到结构上的地震力和能量,其抗震能力是通过延长结构周期,增加耗能能力来实现。减隔震技术的工作机理有3条:①采用柔性支承延长结构周期,减小结构地震反应;②采用阻尼器式能量耗散元件,限制结构位移;③保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。表1是对传统结构采用的延性抗震设计、减隔震设计的比较。1.2有一定的延性设计分析和震害经验表明,延性抗震设计时,强震作用下预期出现的塑性铰的位置通常选择在钢筋混凝土桥墩中,并把钢筋混凝土桥墩设计成延性构件,而把其余构件设计为能力保护构件。因此应安排尽可能多的桥墩共同承担水平地震力。桥墩形式应采用轻型桥墩,而不宜采用重力式桥墩。因为重力式桥墩常用圬工材料砌筑,明显缺乏延性,不适合充当延性构件。对于在纵桥向和横桥向刚度和强度相差很大的桥墩,例如薄壁桥墩,一般只适合在较弱的方向进行延性设计。采用减隔震技术可以有效地提高桥梁结构的抗震能力,但也有一定的适用条件。结合图1和图2可以看出最适宜进行减隔震设计的情况主要有以下3种:桥梁上部结构为连续形式,下部结构刚度比较大,整个桥的基本周期比较短;桥梁下部结构高度变化不规则,刚度不均匀,引入减隔震装置可调节各桥墩刚度,因而可以避免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况;场地条件较好,预期地面运动具有较高的卓越频率,长周期范围所含能量较少等情况。而对于基础土层不稳定,易发生液化的场地;下部结构较柔,桥梁结构本身的固有周期较长;位于软弱场地,延长周期可能引起地基与桥梁共振以及支座中出现较大负反力等情况,不宜采用隔震技术。2桥纵桥向方面的抗震问题连续梁桥在我国应用非常广泛,中小跨径的桥梁和大型桥梁工程的引桥通常采用连续梁桥的形式。连续梁桥纵桥向通常只在跨中部位设置固定支座,地震力作用时,桥面系的惯性力主要由固定墩传递给基础,固定墩和固定墩下基础的抗震问题比较突出。因此,本文以一座连续梁桥为例在反应谱分析的基础上采用2种不同的抗震设计思想分别对纵桥向进行了抗震设计,并通过设计结果的比较,提出了最终的解决方案。2.1墙式桥墩设计图3所示为一座5跨单跨40m的预应力混凝土连续梁桥的立面,主梁断面为钢筋混凝土单箱单室箱形断面,梁宽13.5m、高2.371m;图4是主梁跨中断面。桥墩为墙式桥墩,墩高从11.734m到15.325m不等;图5为设计中墩平面;图6为设计边墩平面。基础采用钻孔灌注桩基础,直径1.5m。支座情况为3#墩上为固定支座,其余墩上为滑动支座。材料方面主梁、桥墩、桩基均为混凝土,标号分别为C50、C40和C30。场地土类型属中硬土,场地类别属Ⅱ类。根据目前抗震设计方法的发展水平,采用了两水平的抗震设计方法对该桥进行抗震设计。第一水准(50年超越概率10%)相当于设计地震,第二水准(50年超越概率2%)相当于罕遇地震。抗震设防烈度为八度。2.2有限元模型的建立计算模型采用三维空间有限元分析模型。桥墩、主梁等构件,均采用三维空间梁单元进行模拟,反应谱分析时假定构件为弹性,采用考虑截面开裂的等效刚度模拟,桩基础的模拟采用沿桩身长度范围内小弹簧模拟土的作用。支座采用三维支座单元进行模拟,线性分析时假定固定支座为铰接约束,滑动支座滑动方向为自由;非线性时程分析时滑动支座滑动方向采用非线性单元模拟,以考虑支座的摩擦耗能作用。有限元模型见图7。桥墩标号从左到右依次为1~6。3#墩上设置固定支座,其余墩上为滑动支座。2.3加速度反应谱通过对上述有限元模型的模态分析知:第1阶振型为主梁纵飘,纵桥向地震动输入时对固定墩墩底内力贡献最大。第2阶、第3阶振型为主梁横向振动桥墩横弯,横桥向地震动输入时对各墩墩底内力贡献均较大。针对初步设计方案,根据桥址场地地震危险性分析结果提供的地震动数据,分别输入50年10%超越概率和50年2%超越概率地表加速度反应谱进行分析,加速度反应谱曲线见图8、图9。地震动输入组合为纵桥向+竖向、横桥向+竖向,其中竖向输入按水平输入的2/3计算。表2和表3分别是纵桥向和横桥向地震动输入时固定墩墩底和桩身弯矩最大值的计算结果。计算结果表明,在设计地震作用下,桥墩、桩基础满足抗震需求;在罕遇地震作用下,纵桥向由于桥面系的地震惯性力通过固定支座传递给固定墩,对固定墩内力反应相当不利,固定墩将进入严重的塑性状态;横桥向由于各墩墩顶与主梁间的刚性约束,多数桥墩及部分桩基无法满足抗震需求。因此考虑从延性和减震消能两方面解决抗震设计问题。非线性时程分析时,荷载输入场地地震危险性分析提供的3条人工地震波进行非线性时程反应分析,计算结果取最大值。地表加速度时程曲线分别见图10、图11。2.4主动墩抗弯能力延性设计时,在各桥墩的底部适当加大截面尺寸并增加该区域的截面配筋率,提高桥墩的延性,使强震时在墩底产生塑性铰,并能够提供设计预期的塑性转动能力。同时为了保证在塑性铰形成之前支座不被破坏,必须使其具有足够的抗剪能力。地震需求方面,在计算模型中各桥墩墩底采用集中塑性铰梁单元模拟,定义纵桥向塑性铰长度为墩底截面纵桥向长度的0.4倍,通过非线性时程分析可得到结构的延性需求,以塑性转角作为延性指标。能力方面,采用有限元程序Ucfyber计算出关键构件控制断面的抗弯能力和延性能力。计算时,混凝土和钢筋的材料强度取标准值并定义首屈弯矩为主筋开始发生屈服时的断面弯矩值;极限弯矩为钢筋或混凝土应变首先达到表4中设定的中等破坏的数值时的断面弯矩值。极限曲率与首屈曲率的差值与塑性铰长度的乘积即为塑性转角,它是变形验算中构件塑性铰允许转角的上限。分析表明采用延性抗震方案后,桩基强度满足要求,固定墩发生塑性变形,墩底塑性铰转角需求小于能力但接近中等破坏。墩梁相对位移最大值为22.6cm。罕遇地震作用下固定墩的最大塑性转角的需求与能力见表5。延性设计主要结果见表7。2.5钢阻尼器参数分析考虑到结构在正常使用状态下的功能要求,需要设置固定支座与单向滑动支座,为实现隔震,沿纵桥向在各墩墩顶与主梁之间设置具有有限抗剪能力的支座,以释放墩梁之间的刚性约束,使得强震时桥墩的地震力需求不超过其能力。同时,在固定墩墩梁之间设置阻尼器控制墩梁之间的相对位移。在计算分析时分别采用弹塑性钢阻尼器和粘滞性油阻尼器进行参数分析,在计算模型中分别用Wen塑性模型模拟弹塑性钢阻尼器,用damper单元模拟粘滞型油阻尼器。图12是对钢阻尼器屈服力进行参数分析的结果,图13是油阻尼器阻尼指数取值分别为0.3和1.0时对阻尼系数进行分析的结果。从图12可以看出钢阻尼器屈服力取600kN时墩梁相对位移最小。从图13中可以看出阻尼指数为1.0阻尼系数为16000时墩梁相对位移最小。通过图12与图13的比较分析可以看出,采用钢阻尼器与采用油阻尼器对控制墩梁相对位移效果比较接近,且墩梁相对位移对阻尼器吨位不很敏感。由于钢阻尼器构造简单、性能稳定、比液体粘滞阻尼器更为经济,因此,本文采用了一种钢阻尼器,其布置和构造分别见图14、图15。计算结果表明,采用减隔震设计可以明显降低下部结构的地震反应,有效减小固定墩及墩下桩基的内力。同时,采用阻尼器装置有效控制了墩梁间的相对位移。结构抗震满足预期性能要求,有效解决了八度区的松原二桥引桥纵桥向的抗震问题。表6是固定墩墩底及桩基内力。2.6截面尺寸、配筋率延性设计增加工程量,并造成结构的损伤;采用减隔震设计不需要增大截面尺寸和配筋率就可以满足结构内力需求,且比较富裕,下部结构的工程量可显著减小。表7列出了延性抗震设计方案与减隔震设计方案设计结果的主要内容。3桥向的地震反应通过对该桥纵桥向的延性与减震消能抗震设计,可以得到以下几点结论:①利用结构延性进行抗震设计时,通过增大下部结构断面尺寸和配筋率,可提高结构延性,用以抵抗纵桥向的地震作用。计算结果表明延性设计能够满足预期抗震性能要求,但在罕遇地震时固定墩将进
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